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  • 特開2018206859-積層構造体及びスピン変調素子 図000003
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2018-206859(P2018-206859A)
(43)【公開日】2018年12月27日
(54)【発明の名称】積層構造体及びスピン変調素子
(51)【国際特許分類】
   H01L 29/82 20060101AFI20181130BHJP
   H01L 43/08 20060101ALI20181130BHJP
   H01L 21/8239 20060101ALI20181130BHJP
   H01L 27/105 20060101ALI20181130BHJP
【FI】
   H01L29/82 Z
   H01L43/08 Z
   H01L27/105 447
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】OL
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2017-108303(P2017-108303)
(22)【出願日】2017年5月31日
(71)【出願人】
【識別番号】000003067
【氏名又は名称】TDK株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100106909
【弁理士】
【氏名又は名称】棚井 澄雄
(74)【代理人】
【識別番号】100163496
【弁理士】
【氏名又は名称】荒 則彦
(74)【代理人】
【識別番号】100188558
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 雅人
(74)【代理人】
【識別番号】100169694
【弁理士】
【氏名又は名称】荻野 彰広
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 英治
(72)【発明者】
【氏名】中田 勝之
(72)【発明者】
【氏名】米村 祥吾
【テーマコード(参考)】
4M119
5F092
【Fターム(参考)】
4M119AA17
4M119BB01
4M119BB03
4M119CC05
4M119CC09
4M119DD17
4M119KK14
5F092AA15
5F092AC08
5F092AC12
5F092AC30
5F092AD23
5F092AD24
5F092AD25
5F092BB22
5F092BB23
5F092BB24
5F092BB31
5F092BB34
5F092BB35
5F092BB36
5F092BB37
5F092BB42
5F092BB43
5F092BB44
5F092BD01
5F092BD03
5F092BD05
5F092BD06
5F092BE11
5F092BE12
5F092BE27
(57)【要約】
【課題】電界により強磁性体のスピン分極率を安定的に変調できる積層構造体及びスピン変調素子を提供する。
【解決手段】本発明の一態様にかかる積層構造体10は、強磁性層1と、前記強磁性層1の一方の表面1a側に積層されたマルチフェロイック層2と、を備え、前記マルチフェロイック層2は、前記強磁性層1側の表面2aに結晶相が菱面体晶の領域を含む。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
強磁性層と、
前記強磁性層の一方の表面側に積層されたマルチフェロイック層と、を備え、
前記マルチフェロイック層は、前記強磁性層側の表面に結晶相が菱面体晶の領域を含む、積層構造体。
【請求項2】
前記マルチフェロイック層の結晶相が菱面体晶である、請求項1に記載の積層構造体。
【請求項3】
前記マルチフェロイック層は、BiFeO、BiMnO、GaFeO、AlFeO、(Ga,Al)FeO、YMnO、CuFeO、Cr、NiBi13I、LiMnPO、YFe12、TbPO、LiCoPOからなる群から選択されるいずれかを含む、請求項1又は2に記載の積層構造体。
【請求項4】
前記強磁性層がハーフメタルである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項5】
前記強磁性層は、XYZの組成式で表記されるホイスラー合金を含み、
前記組成式中のXは周期表上でCo、Fe、Ni、Cu族の遷移金属元素または貴金属元素であり、YはMn、V、Cr、Ti族の遷移金属又はXの元素種であり、Zは、III族からV族の典型元素である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項6】
請求項1〜5のいずれか一項に記載の積層構造体と、
前記積層構造体の前記強磁性層の他方の表面側に、順に積層された非磁性層及び第2強磁性層と、を備える、スピン変調素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、積層構造体及びスピン変調素子に関する。
【背景技術】
【0002】
磁性体が有するスピンを利用した素子は、様々な用途で用いられている。例えば、強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗(GMR)素子、非磁性層に絶縁層(トンネルバリア層、バリア層)を用いたトンネル磁気抵抗(TMR)素子等の磁気抵抗効果素子が知られている。磁気抵抗効果素子は、磁気センサ、高周波部品、磁気ヘッド、磁気記録媒体及び不揮発性ランダムアクセスメモリ(MRAM)等に利用されている。
【0003】
磁気抵抗効果素子は、二つの強磁性層の磁化の相対角の向きの違いに伴う抵抗値変化を出力する。二つの強磁性層の磁化の向きが平行の状態を“0”とし、二つの強磁性層の磁化の向きが反平行の状態を“1”とすることで、磁気抵抗効果素子は2値のデータを出力できる。
【0004】
一方で、近年のデータの高容量化に伴い、データをより高密度に集積することが求められている。その一つの手段として、データを2値以上の多値で記録できる素子の開発が進められている。例えば、特許文献1及び2には、電界を利用して強磁性層のスピン分極率を変調することで、データを多値で記録できる素子が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2016−063024号公報
【特許文献2】特開2016−063062号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献1及び2に記載の素子は、マルチフェロイック層の磁性特性が充分ではなく、強磁性層の磁化の安定性が充分ではない場合がある。
【0007】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、電界により強磁性体のスピン分極率を安定的に変調できる積層構造体及びスピン変調素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
【0009】
(1)第1の態様にかかる積層構造体は、強磁性層と、前記強磁性層の一方の表面側に積層されたマルチフェロイック層と、を備え、前記マルチフェロイック層は、前記強磁性層側の表面に結晶相が菱面体晶の領域を含む。
【0010】
(2)上記態様にかかる積層構造体において、前記マルチフェロイック層の結晶相が菱面体晶である。
【0011】
(3)上記態様にかかる積層構造体において、前記マルチフェロイック層は、BiFeO、BiMnO、GaFeO、AlFeO、(Ga,Al)FeO、YMnO、CuFeO、Cr、NiBi13I、LiMnPO、YFe12、TbPO、LiCoPOからなる群から選択されるいずれかを含んでもよい。
【0012】
(4)上記態様にかかる積層構造体において、前記強磁性層がハーフメタルであってもよい。
【0013】
(5)上記態様にかかる積層構造体において、XYZの組成式で表記されるホイスラー合金を含み、前記組成式中のXは周期表上でCo、Fe、Ni、Cu族の遷移金属元素または貴金属元素であり、YはMn、V、Cr、Ti族の遷移金属又はXの元素種であり、Zは、III族からV族の典型元素であってもよい。
【0014】
(6)第2の態様にかかるスピン変調素子は、上記態様にかかる積層構造体と、前記積層構造体の前記強磁性層の他方の表面側に、順に積層された非磁性層及び第2強磁性層と、を備える。
【発明の効果】
【0015】
上記態様にかかる積層構造体及びスピン変調素子は、電界により強磁性体のスピン分極率を安定的に変調できる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
図1】本実施形態にかかるスピン変調素子を模式的に示した図である。
図2】スピン変調素子の動作を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明を適用した一実施形態であるスピン変調素子について、これを構成する積層構造体とともに、図面を用いてその構成を説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではない。
【0018】
(スピン変調素子)
先ず、本発明を適用した一実施形態であるスピン変調素子の構成の一例について、説明する。図1は、本発明を適用した一実施形態であるスピン変調素子を模式的に示した図である。図1に示すように、本実施形態のスピン変調素子100は、積層構造体10と、非磁性層20と、第2強磁性層30とを備え、これらがこの順に積層されて、概略構成されている。また第2強磁性層30の非磁性層20と反対側には、電極40を有してもよい。
本実施形態のスピン変調素子100は、電界を利用して後述する強磁性層1のスピン分極率を変調することで、データを多値で記録できる素子である。
【0019】
「積層構造体」
積層構造体10は、強磁性層1とマルチフェロイック層2とを備える。図1では、積層構造体10をスピン変調素子100の構成の一部として図示しているが、積層構造体10のみでもAMR(磁気異方性)センサ等として用いることができる。
【0020】
強磁性層1は、一方向に磁化が配向した磁性体を含む。強磁性層1を構成する磁性体は、磁気異方性の強い物質を用いることが好ましい。例えば、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される金属及びこれらの金属を1種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、B、C、及びNの少なくとも1種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、FeやCo−Fe等が挙げられる。
【0021】
強磁性層1は、ハーフメタルであることが好ましい。ハーフメタルは、片方の電子スピンが金属的なバンド構造を示し、もう片方の電子スピンが絶縁体的なバンド構造を示す物質である。ハーフメタルは、フェルミ面では理想的には1に近い大きなスピン分極率を示す。
【0022】
ハーフメタルとしては、ホイスラー合金、マグネタイト(Fe)、ペロブスカイト型Mn酸化物等が知られているが、ホイスラー合金が特に好ましい。ホイスラー合金は、III−V族半導体との高い格子整合性、室温以上のキュリー温度、フェルミ面近傍での大きなバンドギャップ等の特徴を有し、室温においても高いスピン分極率を示すことができる。
【0023】
ホイスラー合金は、XYZの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Xは、周期表上でCo、Fe、Ni、あるいはCu族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Yは、Mn、V、CrあるいはTi族の遷移金属でありXの元素種をとることもでき、Zは、III族からV族の典型元素である。例えば、CoFeSi、CoMnSi及びCoMn1−aFeAlSi1−bなどが挙げられる。
【0024】
マルチフェロイック層2は、強磁性層1の一方の表面1a側に積層されて設けられている。マルチフェロイック層2は、磁気秩序と強誘電秩序の性質を併せ持つマルチフェロイック材料を有する。マルチフェロイック材料としては、BiMnO、GaFeO、AlFeO、(Ga,Al)FeO、YMnO、CuFeO、Cr、NiBi13I、LiMnPO、YFe12、TbPO、LiCoPOからなる群から選択されるいずれかを用いることができる。またマルチフェロイック材料は、特性を失わない範囲で、上記の物質の一部の元素を置換したものを用いることができる。例えば、XYOと表記される物質のXの一部を他の3価の元素で置換したり、Yの一部を3d遷移金属の他の元素で置換してもよい。またマルチフェロイック材料に酸素欠損等が生じていてもよい。これらの材料の中でもBiFeOは、キュリー温度及びネール温度が何れも高く、広い温度域で強誘電特性及び強磁性特性を示すため、特に好ましい。
【0025】
マルチフェロイック層2は、強磁性層1に少なくとも二つの影響を与える。第1の影響はマルチフェロイック層2の有する強磁性特性に由来するものであり、第2の影響はマルチフェロイック層2の有する強誘電特性に由来するものである。
【0026】
マルチフェロイック層2が強磁性特性を示すと、マルチフェロイック層2の磁化の影響を受けて、強磁性層1の磁化の向きが一方向に強く配向する(第1の影響)。すなわち、マルチフェロイック層2は、その強磁性特性により強磁性層1の磁化をピン止めする効果を有する。強磁性層1の磁化が一方向に強く固定されると、対向する第2強磁性層30との間で発現する磁気抵抗効果が大きくなり、磁気抵抗効果に伴う抵抗値変化率(MR比)を大きくなる。
【0027】
一方で、マルチフェロイック層2が強誘電特性を示すと、マルチフェロイック層2は誘電分極する。誘電分極によって生じる電荷は、強磁性層1内のマルチフェロイック層2側の界面に電荷を誘起し、その界面電荷による電界は、強磁性層1のバンド構造を変え、強磁性層1のスピン分極率を変調する(第2の影響)。スピン分極率が変調すると、スピン変調素子100の多値化が実現できる。例えば、強磁性層1のスピン分極率が1.0で第2強磁性層30と平行な場合と、強磁性層1のスピン分極率が0.5で第2強磁性層30と平行な場合とでは、強磁性層1と第2強磁性層30の間の抵抗値が異なるためである。
【0028】
マルチフェロイック層2が強磁性層1に与える影響としては、第1の影響及び第2の影響のいずれも重要である。マルチフェロイック層2の結晶構造が菱面体晶の場合は、強磁性特性に優れ、強誘電特性を有するため、第1の影響を強磁性層1に大きく与えるとともに、第2の影響を強磁性層1に与えることができる。これに対し、マルチフェロイック層2の結晶構造が正方晶の場合は、強誘電特性に優れるため、第2の影響を強磁性層1に大きく与えることができるが、第1の影響の観点では菱面体晶の場合より劣る。
【0029】
本実施形態のスピン変調素子100を構成するマルチフェロイック層2は、強磁性層1と対向する側の表面2aの結晶相が菱面体晶である。すなわち、マルチフェロイック層2は少なくとも表面2a近傍において、結晶相が菱面体晶の領域を含む。ここで「表面近傍」とは、表面2aから厚さ(深さ)方向に0.5nm程度の範囲を意味する。これにより、本実施形態におけるマルチフェロイック層2は、第1の影響を強磁性層1に大きく与えるとともに、第2の影響を強磁性層1に与えることができる。
【0030】
また、マルチフェロイック層2が強磁性層1に与える第1の影響及び第2の影響は、マルチフェロイック層2と強磁性層1との界面(すなわち、マルチフェロイック層2の、強磁性層1と対向する側の表面2a)近傍の状態に大きな影響を受ける。第1の影響は、マルチフェロイック層2の磁化と強磁性層1の磁化との交換相互作用により生じ、第2の影響は、マルチフェロイック層2の誘電分極により生じた界面電荷によって生じるためである。強磁性特性及び強誘電特性を有する菱面体晶の領域が、マルチフェロイック層2の強磁性層1と対向する側の表面2aの近傍に存在することで、強磁性層1に第1の影響及び第2の影響を与えることができる。また、マルチフェロイック層2の、表面2a近傍の結晶構造が菱面体晶であると、強磁性層1との格子整合性に優れるため、強磁性層1との界面における格子歪の発生を抑制できる。
【0031】
マルチフェロイック層2は、強磁性層1と対向する側の表面2a近傍において、結晶相が菱面体晶の領域を有していればよく、表面2a近傍よりも内側(すなわち、表面2aから深さ0.5nm以下の領域)の結晶構造は特に問わない。例えば、正方晶でもよいし、菱面体晶でもよいし、これらの結晶相以外の結晶構造を有していてもよい。これら以外の結晶構造としては、異相、非晶質、結晶構造の乱れた状態、正方晶と菱面体晶が混在した状態、正方晶と菱面体晶の間で結晶構造が移行する状態等が挙げられる。
【0032】
マルチフェロイック層2の表面2a近傍よりも内側の領域が、正方晶の場合(すなわち、マルチフェロイック層2の表面2a側に菱面体晶領域を有し、それよりも内側に正方晶領域を有する場合)、マルチフェロイック層2の誘電特性がより強くなる。そのため、強磁性層1のスピン分極率をより大きく変調することができる。
【0033】
マルチフェロイック層2の表面2a近傍よりも内側の領域が、菱面体晶の場合(すなわち、マルチフェロイック層2が菱面体晶からなる場合)、強磁性特性に優れる菱面体晶の影響により、強磁性層1の磁化のピン止め強度をより強くできる。すなわち、強磁性層1の磁化の安定性をより高めることができる。
【0034】
またマルチフェロイック層2の層厚は、3nm以上500nm以下であることが好ましく、5nm以上450nm以下であることがより好ましく、10nm以上400nm以下であることがさらに好ましい。マルチフェロイック層2の層厚が厚くなりすぎると、マルチフェロイック層2の表面2aに誘起される電荷量が小さくなる。一方で、マルチフェロイック層2の層厚が薄すぎると、マルチフェロイック層2が充分な強磁性特性及び強誘電特性を発現しない場合が生じる。
【0035】
「非磁性層」
非磁性層20は、図1に示すように、積層構造体10を構成する強磁性層1の他方の面1b側に積層されて設けられている。非磁性層20は絶縁体でも、半導体でも、金属でもよい。非磁性層20が絶縁体からなる場合、強磁性層2、非磁性層20及び第2強磁性層30からなる積層体は、トンネル磁気抵抗(TMR:Tunneling Magnetoresistance)素子となり、非磁性層20が半導体もしくは金属からなる場合、強磁性層2、非磁性層20及び第2強磁性層30からなる積層体は、巨大磁気抵抗(GMR:Giant Magnetoresistance)素子となる。
【0036】
非磁性層20には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層20が絶縁体もしくは半導体からなる場合、その材料としては、Hexagonal−BN、Graphene、HfO、Y、TaO、GaO、TiO、InO,BaO,CaF、Al、SiO、MgO、及び、MgAl等を用いることができる。これらの中でも、MgOやMgAlはコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、MR比を大きくすることができる。またMgOやMgAlのMg、Alの一部もしくはすべてが、Zn,Cd、Ag、Pt、Pb、Ga、In、Ge等に置換された材料等も非磁性層20として用いることができる。
【0037】
非磁性層20が金属からなる場合、その材料としては、Cu、Au、Ag等を用いることができる。
【0038】
「第2強磁性層」
第2強磁性層30は、図1に示すように、非磁性層20の表面のうち、積層構造体10を構成する強磁性層1と対向する表面と反対の表面側に積層されて設けられている(換言すると、第2強磁性層30は、非磁性層20を挟んで強磁性層1と対向するように配置されている)。第2強磁性層30は、強磁性層1と非磁性層20とともに、磁気抵抗効果素子を形成する。強磁性層1が固定層の場合、第2強磁性層30は自由層となり、強磁性層1が自由層の場合、第2強磁性層30は固定層となる。
【0039】
第2強磁性層30の材料としては、公知のものを用いることができる。例えば、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される金属及びこれらの金属を1種以上含み、強磁性を示す合金を用いることができる。また、これらの金属と、B、C、及びNの少なくとも1種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Co−FeやCo−Fe−Bが挙げられる。また、より高い出力を得るために、第2強磁性層30にホイスラー合金を用いてもよい。
【0040】
(スピン変調素子の製造方法)
次に、上述した本実施形態のスピン変調素子100の製造方法の一例について、説明する。
まず、基材を準備する。基材は、積層構造体10の積層方向に電圧を印加するために、導電性を有する材料を用いることが好ましい。基材が導電性を有することで、電極を兼ねることができる。
【0041】
次いで、準備した基材上に、マルチフェロイック層2を積層する。積層する方法としては、スパッタリング法、CVD(化学気相成長)法、分子線エピタキシャル(MBE)法等を用いることができる。マルチフェロイック層2は、マルチフェロイック層2を積層する基板とマルチフェロイック層2の結晶状態の違いを利用することで調整する。マルチフェロイック層2は、例えばマルチフェロイック層2がBiFeOの場合、BiFeOの菱面体相と格子定数が近い(001)SrTiO基板上に、基板温度を700℃として、30nmのBiFeOを成膜すると、菱面体相が形成される。このような成膜を行うことで、マルチフェロイック層2の少なくとも表面2aの結晶相を菱面体晶にできる。
【0042】
次いで、マルチフェロイック層2上に、強磁性層1、非磁性層20、第2強磁性層30を順次、積層して形成する。これらの各層は、GMR素子やTMR素子等の磁気抵抗効果素子の強磁性層及び非磁性層と同様の方法で積層することができる。例えば、スパッタリング法、蒸着法、レーザアブレーション法、MBE法等を用いることができる。また、第2強磁性層30の非磁性層20と反対側の面には、電極を積層することが好ましい。電極を設けることで、強磁性層1全面に均一に電流を流すことができる。
【0043】
(スピン変調素子の動作)
次に、上述した本実施形態のスピン変調素子100の動作の一例を説明すると共に、どのように多値化が実現されるかについて説明する。
【0044】
図2は、本実施形態のスピン変調素子100の動作を説明するための模式図である。図2(a)〜(d)に示すように、本実施形態のスピン変調素子100には、第2強磁性層30と強磁性層1とに流れる電流を制御するスイッチSW1と、マルチフェロイック層2に電場を印加するスイッチSW2とが、それぞれ接続されている。
【0045】
まず、図2(a)及び(b)に示すように、スイッチSW2が開いている場合、マルチフェロイック層2には電場が印加されない。そのため、スピン変調素子100は、第2強磁性層30と強磁性層1との磁化の向きが反平行の第1状態(図2(a))と、第2強磁性層30と強磁性層1との磁化の向きが平行の第2状態(図2(b))と、の2状態をとる。強磁性層1の磁化の向きは、スイッチSW1を閉じることで、積層体の積層方向にスピン偏極電流を流し、スピントランスファートルク(STT)により反転させる。
【0046】
次いで、図2(c)及び(d)に示すように、スイッチSW2を閉じ、強磁性層1と電極40との間(マルチフェロイック層2)に電界を加える。マルチフェロイック層2に電界が印加されると、マルチフェロイック層2は誘電分極の方向を反転する。誘電分極によって界面に生じる電荷は、電界を生み出し、強磁性層1のバンド構造を変える。その結果、強磁性層1のスピン分極率は、変調する。
【0047】
例えば、マルチフェロイック層2に正電圧を印加する(図2(c)電圧V方向)と、電界によって強磁性層1のダウンスピンのバンド構造にバンドベンディングが誘起される。そのため、強磁性層1のマルチフェロイック層2側の界面に少数スピンキャリアが誘起され、強磁性層1のスピン分極率は減少する。図2(c)及び(d)では、スピン分極率の減少を矢印の大きさで模式的に図示している。
【0048】
図2(c)及び(d)に示すように、強磁性層1のスピン分極率が減少した状態でも、第2強磁性層30と強磁性層1の磁化の向きが反平行の第3状態(図2(c))と、第2強磁性層30と強磁性層1の磁化の向きが平行の第4状態(図2(d))と、の2状態をとる。
【0049】
すなわち、スピン変調素子100は、スイッチSW1とスイッチSW2とを制御することで、4つの状態が生み出される。4つの状態は、第1状態、第3状態、第4状態、第2状態の順で抵抗値が大きい。
【0050】
本実施形態のスピン変調素子100によれば、マルチフェロイック層2の、強磁性層1と対向する側の表面2aの結晶相が菱面体晶であるため、マルチフェロイック層2は強磁性特性及び強誘電特性をいずれも充分発現する。すなわち、マルチフェロイック層2の強誘電特性に伴いスピン分極率の変化が大きくなり、第1状態と第3状態、及び、第2状態と第4状態の抵抗値差が大きくなる。またマルチフェロイック層2の強磁性特性に伴いスピン分極率の変化が大きくなり、各状態の磁化の安定性が増し、外部からの影響を受けにくいスピン変調素子100を実現できる。
【0051】
上述のように、本実施形態にかかるスピン変調素子100は、マルチフェロイック層2の少なくとも表面2aの結晶相が菱面体晶であるため、4つの状態間の抵抗値差を大きくすることができ、かつ、磁化の安定性を増すことができ、安定した多値記録を行うことができる。
【0052】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
【符号の説明】
【0053】
1…強磁性層、2…マルチフェロイック層、2a…表面、10…積層構造体、20…非磁性層、30…第2強磁性層、40…電極、100…スピン変調素子、SW1,SW2…スイッチ
図1
図2