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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】P2023126707
(43)【公開日】2023-09-08
(54)【発明の名称】磁気素子
(51)【国際特許分類】
H01L 29/82 20060101AFI20230831BHJP
H10N 52/85 20230101ALI20230831BHJP
H10B 61/00 20230101ALI20230831BHJP
H01F 10/30 20060101ALI20230831BHJP
【ＦＩ】
H01L29/82 Z
H01L43/10
H01L27/105 447
H01F10/30
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022177723
(22)【出願日】2022-11-04
(31)【優先権主張番号】P 2022030135
(32)【優先日】2022-02-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り ｈｔｔｐｓ：／／ｏｎｌｉｎｅｌｉｂｒａｒｙ．ｗｉｌｅｙ．ｃｏｍ／ｄｏｉ／１０．１００２／ａｄｍａ．２０２２０６８０１、令和４年１１月４日
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】令和３年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業「電子材料系における非原子軌道の物質設計」委託研究、令和３年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、創発的研究支援事業「新世代コンピューティング素子のためのスキルミオン物質基盤創成」委託研究、平成２８年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業「トポロジカル絶縁体量子機能実証とスピントロニクス応用」委託研究、平成３０年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業「ナノスピン構造物質創製と磁気構造観察」委託研究、平成３０年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業「トポロジカル機能界面の創出」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】504137912
【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学
(71)【出願人】
【識別番号】504157024
【氏名又は名称】国立大学法人東北大学
(74)【代理人】
【識別番号】110002675
【氏名又は名称】弁理士法人ドライト国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】金澤 直也
(72)【発明者】
【氏名】大塚 悠介
(72)【発明者】
【氏名】堀 智洋
(72)【発明者】
【氏名】平山 元昭
(72)【発明者】
【氏名】十倉 好紀
(72)【発明者】
【氏名】▲塚崎▼ 敦
(72)【発明者】
【氏名】藤原 宏平
【テーマコード（参考）】
4M119
5E049
5F092
【Ｆターム（参考）】
4M119AA11
4M119AA20
4M119BB20
4M119CC05
4M119CC10
4M119DD08
5E049BA06
5E049CB02
5E049DB02
5F092AA07
5F092AA12
5F092AB06
5F092AC26
5F092AD25
5F092BB53
5F092BD12
(57)【要約】
【課題】安価で低毒性の元素からなる化合物において、磁化状態の電気的制御を可能とする。
【解決手段】磁気素子１００は、基板１０と、基板１０上に積層され、表面が物質内部のトポロジーの性質によって自発磁化を発現する強磁性金属状態を示す化合物（例えばＦｅＳｉ）からなり、面内方向に電流を流すと、スピン蓄積が発生し、表面の磁化が反転可能である非磁性絶縁層２０と、非磁性絶縁層２０上に積層され、絶縁体（例えばＭｇＯ）からなるキャップ層３０と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】磁気素子１００は、基板１０と、基板１０上に積層され、表面が物質内部のトポロジーの性質によって自発磁化を発現する強磁性金属状態を示す化合物（例えばＦｅＳｉ）からなり、面内方向に電流を流すと、スピン蓄積が発生し、表面の磁化が反転可能である非磁性絶縁層２０と、非磁性絶縁層２０上に積層され、絶縁体（例えばＭｇＯ）からなるキャップ層３０と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、
前記基板上に積層され、表面が物質内部のトポロジーの性質によって自発磁化を発現する強磁性金属状態を示す化合物からなり、面内方向に電流を流すと、スピン蓄積が発生し、前記表面の磁化が反転可能である非磁性絶縁層と、
を備える磁気素子。
前記基板上に積層され、表面が物質内部のトポロジーの性質によって自発磁化を発現する強磁性金属状態を示す化合物からなり、面内方向に電流を流すと、スピン蓄積が発生し、前記表面の磁化が反転可能である非磁性絶縁層と、
を備える磁気素子。
【請求項2】
前記非磁性絶縁層は、第８族の第１元素と、第１３族、第１４族又は第１５族の第２元素との共有結合性結晶からなる、請求項１に記載の磁気素子。
【請求項3】
前記第１元素は、Ｆｅ、Ｒｕ、又はＯｓであり、前記第２元素は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｇａ、又はＳｂである、請求項２に記載の磁気素子。
【請求項4】
前記非磁性絶縁層上に積層され、絶縁体からなるキャップ層を更に備える、請求項１～３の何れか１項に記載の磁気素子。
【請求項5】
前記キャップ層は、酸化物、イオン結晶又は分子性結晶からなる、請求項４に記載の磁気素子。
【請求項6】
前記キャップ層は、ＭｇＯ、又はアルカリ土類金属と酸素との化合物からなる、請求項４に記載の磁気素子。
【請求項7】
前記キャップ層は、アルカリ金属とフッ素との化合物、又はアルカリ土類金属とフッ素との化合物からなる、請求項４に記載の磁気素子。
【請求項8】
前記キャップ層は、パリレンからなる、請求項４に記載の磁気素子。
【請求項9】
前記非磁性絶縁層の前記表面の強磁性転移温度は、室温より高い、請求項７に記載の磁気素子。
【請求項10】
前記非磁性絶縁層の前記表面の磁化は、室温で反転可能である、請求項９に記載の磁気素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、磁気メモリ等の磁気装置に用いられる磁気素子に関する。
【背景技術】
【0002】
磁性体の磁化の向きで情報を記録する不揮発性メモリとして、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）や磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）等の種々の磁気メモリが広く普及しており、これらのメモリに用いられる磁気素子に関する様々な技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【0003】
従来型のＭＲＡＭでは、電流が作る磁場によって磁気素子の磁化を反転させている。一方、磁気素子に面直方向に電流を流すことで磁化を反転させるスピン注入磁化反転を用いたＭＲＡＭが実用化されている。また、近年、スピン軌道相互作用の強い重元素からなるチャネル層に電流を流し、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）によって磁気素子の磁化を制御するＭＲＡＭに関する技術が提案されている。近年発見されたトポロジカル絶縁体も重元素を含有しており、表面状態を利用して、スピン軌道相互作用がバンド反転に寄与することがわかってきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】国際公開第２０１８／１７９９６１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、ＨＤＤは、磁化状態を読み取るために力学的駆動機構を必要とするため、動作速度が遅く、故障しやすいという問題がある。従来型ＭＲＡＭでは、磁気素子のサイズを小さくすると、磁化反転に必要な電流密度が大きくなってしまうという問題がある。一方、スピン注入型ＭＲＡＭでは、磁気素子のサイズを小さくすると、書き込み電流を小さくできるが、磁気素子に電流を直接流すため、破損を招く恐れがある。また、ＳＯＴ-ＭＲＡＭの磁気素子やトポロジカル絶縁体には、高価で毒性の強い重元素が含まれており、資源枯渇や環境負荷の点で難がある。
【0006】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、安価で低毒性の元素からなる化合物において、磁化状態の電気的制御を可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様に係る磁気素子は、基板と、基板上に積層され、表面が物質内部のトポロジーの性質によって自発磁化を発現する強磁性金属状態を示す化合物からなり、面内方向に電流を流すと、スピン蓄積が発生し、表面の磁化が反転可能である非磁性絶縁層と、を備える。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、重元素を用いることなく、表面に強磁性金属状態が発現する非磁性絶縁体において、電気的に磁化を制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の実施形態に係る磁気素子の断面図である。
【図2A】ＦｅＳｉ薄膜の電気抵抗率の温度依存性を異なる膜厚について示すグラフである。
【図2B】ＦｅＳｉ薄膜のＴ＝２ＫでのＦｅ原子あたりの磁化の磁場依存性を異なる膜厚について示すグラフである。
【図2C】ＦｅＳｉ薄膜の単位面積あたりの伝導度の膜厚依存性を異なる温度について示すグラフである。
【図2D】ＦｅＳｉ薄膜の単位面積あたりのホール伝導度の膜厚依存性を異なる温度について示すグラフである。
【図3】偏極中性子反射率実験の模式図である。
【図4A】ＦｅＳｉの表面電子の波動関数の分布を示す図である。
【図4B】運動量空間における常磁性状態のＦｅＳｉの表面バンド構造の等エネルギー線とスピン状態を示す図である。
【図5】電流誘起磁化反転を説明するための模式図である。
【図6B】電流パルスの方向の切り替えによるホール抵抗率の変化を示すグラフである。
【図7】キャップ層として様々な絶縁体材料を用いた場合の表面単位面積あたりの磁化の温度依存性を示すグラフである。
【図8A】キャップ層がＢａＦ２からなる場合のＴ＝３００Ｋでの磁気素子のホール抵抗率の電流依存性を示すグラフである。
【図8B】Ｔ＝３００Ｋにおいて電流パルスの方向の切り替えに伴うホール抵抗率の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、添付の図面を参照して、本発明の例示の実施形態について説明する。図面全体を通して、同一又は同様の構成要素には同一の符号を付している。図面は模式的なものであり、平面寸法と厚さとの関係、及び各部材の厚さの比率は現実のものとは異なる。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【0011】
まず、本実施形態に係る磁気素子１００の構成を説明する。図１に示すように、磁気素子１００は、Ｓｉ等の半導体又は絶縁体からなる基板１０と、基板１０上に積層された非磁性絶縁層２０と、非磁性絶縁層２０上に積層されたキャップ層３０とを備える。
【0012】
非磁性絶縁層２０は、表面が物質内部のトポロジーの性質によって自発磁化を発現する強磁性金属状態を示す化合物からなる。そのような化合物として、第８族の第１元素Ａと、第１３族、第１４族又は第１５族の第２元素Ｅとの共有結合性結晶がある。例えば、第１元素Ａとして、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓが挙げられ、第２元素Ｅとして、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｓｂが挙げられる。特に、ＦｅとＳｉは、地表付近に存在する割合が、それぞれ、４番目、２番目に多く、安価で無毒のありふれた元素である。
【0013】
キャップ層３０は絶縁体からなり、非磁性絶縁層２０の酸化又は汚染を防止するために設けられている。キャップ層３０の絶縁体として、ＭｇＯ、アルカリ土類金属Ｚと酸素との化合物（ＺＯ）等の酸化物のほか、接合対象である非磁性絶縁層２０の表面電子状態と混成を起こしにくいイオン結晶又は分子性結晶が挙げられる。そのようなイオン結晶又は分子性結晶として、アルカリ金属Ｘとフッ素（Ｆ）との化合物（ＸＦ）、アルカリ土類金属ＺとＦとの化合物（ＺＦ２）、パリレンが挙げられる。ここで、アルカリ金属Ｘとして、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓが挙げられ、アルカリ土類金属Ｚとして、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａが挙げられる。
【0014】
磁気素子１００は、例えば、Ｓｉ（１１１）基板１０上に、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いて、［１１１］方向に沿ってＦｅＳｉ薄膜を堆積し、高周波マグネトロンスパッタリングによって、所定の厚さのＭｇＯを堆積することで作製される。
【0015】
なお、キャップ層３０は必ずしも設けなくてもよい。キャップ層３０がない場合、非磁性絶縁層２０の表面が酸化し、表面の数原子層が酸化膜となり、その酸化膜の下に非磁性絶縁層２０の強磁性金属状態が現れる。
【0016】
以下では、非磁性絶縁層２０がＦｅＳｉ薄膜である例を挙げるが、本実施形態はこれに限定されるものではない。また、以下では、特に断りのない限り、キャップ層３０は、ＭｇＯからなり、膜厚が１０ｎｍであるものとするが、本実施形態はこれに限定されるものではない。
【0017】
【0018】
図２Ａに、膜厚ｔ＝５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍ、４０ｎｍ、６０ｎｍのそれぞれについて、ゼロ磁場でのＦｅＳｉ薄膜の電気抵抗率ρxxの温度依存性を示す。図２Ａより、ＦｅＳｉ薄膜の電気抵抗率ρxxは、温度Ｔが低くなるにつれて高くなり、絶縁的な振る舞いを示すが、膜厚ｔが薄くなるにつれて低くなり、伝導的な振る舞いを示すことがわかる。
【0019】
図２Ｂに、膜厚ｔ＝５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍ、４０ｎｍ、６０ｎｍのそれぞれについて、ＦｅＳｉ薄膜のＴ＝２ＫでのＦｅ原子あたりの磁化Ｍの磁場依存性を示す。図２Ｂより、磁化曲線は磁場Ｈに対して明らかなヒステリシスループを示しており、膜厚ｔが薄くなるほど、Ｆｅ原子あたりの磁化Ｍが大きくなることがわかる。
【0020】
図２Ｃに、Ｔ＝２Ｋ、３０Ｋ、５０Ｋ、７０Ｋのそれぞれについて、ＦｅＳｉ薄膜の単位面積あたりの伝導度σxx
sheet（シート伝導度）の膜厚依存性を示す。図２Ｄに、Ｔ＝２Ｋ、３０Ｋ、５０Ｋ、７０Ｋのそれぞれについて、ゼロ磁場でのＦｅＳｉ薄膜の単位面積あたりのホール伝導度σxy
sheet（シートホール伝導度）の膜厚依存性を示す。
【0021】
図２Ｃより、シート伝導度σxx
sheetが膜厚ｔに比例していることがわかる。ＦｅＳｉ薄膜のバルクと表面が同じ状態であれば、図２Ｃの一次関数の切片はゼロになるはずであるが、この一次関数は有限の切片を有している。これは、非磁性絶縁体であるにも関わらず、ＦｅＳｉ薄膜の表面に金属伝導が存在していることを示唆している。ＦｅＳｉ薄膜の表面の伝導度をσxx
surface、バルクの伝導度をσxx
bulkとすると、シート伝導度σxx
sheetは、式（１）のように、膜厚ｔに依存するバルクの寄与と、膜厚ｔに依存しない表面の寄与に分離することができる。
【数1】
【0022】
また、図２Ｄより、ゼロ磁場でのシートホール伝導度σxy
sheetは、膜厚ｔに対してほぼ一定であり、強磁性状態が表面に存在していることを示唆している。
【0023】
偏極中性子反射率実験によって、ＦｅＳｉ薄膜の表面強磁性を実証することができる。図３に示すように、偏極中性子反射率実験では、膜厚ｔが１１ｎｍのＦｅＳｉ薄膜（非磁性絶縁層２０）に対し、Ｔ＝７Ｋで面内に平行（＋ｘ方向）に１Ｔの外部磁場Ｈを印加し、ＦｅＳｉ薄膜の表面の磁化を外部磁場Ｈに平行に揃え、スピンを外部磁場Ｈに反平行に揃える。この状態で、スピンの向きが外部磁場Ｈに対して平行又は反平行の中性子線４０をＦｅＳｉ薄膜に入射させると、深さ方向（ｚ方向）の磁化分布に応じて中性子線４０の反射率が変化する。中性子線４０のスピンの向きと入射角度を変えて反射率測定を行い、反射中性子線４２の信号を解析することによって、ＦｅＳｉ薄膜の磁化分布を観測することができる。
【0024】
大強度陽子加速器施設（Ｊ－ＰＡＲＣ）物質・生命科学実験施設（ＭＬＦ）の偏極中性子反射率計（ＢＬ１７、ＳＨＡＲＡＫＵ）を使用した偏極中性子反射率実験によって、ＦｅＳｉ薄膜の表面強磁性層は、０．３５ｎｍ（＋０．１１ｎｍ又は－０．１３ｎｍの誤差あり）の厚みｔ２を有し、２．１μＢ／Ｆｅの平均磁化（＋０．４μＢ／Ｆｅ又は－０．６μＢ／Ｆｅの誤差あり）を有することがわかった。すなわち、強磁性状態が表面の数原子層（約０．３ｎｍ）にのみ存在していることを実証することができた。
【0025】
表面の電子状態とスピン状態に対する第一原理計算により、表面の強磁性金属状態は、ＦｅとＳｉの共有結合が表面で切断されたダングリングボンド（dangling bonds）により形成されていることがわかった。図４Ａに、計算されたＦｅＳｉの表面状態の波動関数の分布を示し、図４Ｂに、運動量空間における常磁性状態のＦｅＳｉの表面バンド構造の等エネルギー線とスピン状態を示す。
【0026】
図４Ａに示すように、表面電子の波動関数は、表面のＦｅ原子から少し浮き上がるように分布しており、表面に分極が形成されていることを示している。図４Ｂにおける矢印はスピンの偏極方向（Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｚ）を表しており、スピンは運動量空間において渦状の配列をなしている。表面分極に由来して強いスピン軌道相互作用が引き起こされ、スピンの向きと電子の運動方向が固定される（スピン運動量ロッキング）。これらの電子状態及びスピン状態は、Ｚａｋ位相で記述される結晶内部のトポロジーに由来している。
【0027】
強いスピン軌道相互作用を利用することにより、電流によって磁化の向きを制御することができる。図５に、電流誘起磁化反転の模式図を示す。図５に示すように、ホールバー構造の磁気素子１００の非磁性絶縁層２０に、長手方向（ｘ方向）の電流Ｉを流すと、非磁性絶縁層２０の表面では、ラシュバ・エーデルシュタイン効果によって、スピンが電流Ｉにほぼ直交する方向（ｙ方向）に偏極したスピン偏極電流が流れ、表面にスピン蓄積が生じる。これにより、表面の磁化Ｍにスピン軌道トルク（ＳＯＴ）が働くことで磁化Ｍが反転可能となる。その他のスピン蓄積の効果により、ゼロ磁場でも磁化Ｍを反転させることができる。
【0028】
磁化Ｍの向きは、異常ホール効果によって検出することができる。具体的には、図５に示すように、電流Ｉの方向と直交するｙ方向に配置された電極５０と電極５２との間のホール電圧Ｖｙｘを測定すれば、磁化Ｍに比例するホール抵抗率ρｙｘを求めることができる。ホール抵抗率ρｙｘは、非磁性絶縁層２０の膜厚ｔと電流Ｉとホール電圧Ｖｙｘとにより、式（２）のように定義される。
【数2】
【0029】
非磁性絶縁層２０では、電流Ｉを流している間、スピン蓄積が起こっているため、ゼロ磁場では磁化Ｍが回転し続ける。特定の方向に磁化Ｍを制御するためには、図５に示すように、アシスト磁場として、面内方向の小さな外部磁場Ｈを印加すればよい。以下では＋ｘ方向、－ｘ方向の外部磁場Ｈの符号を、それぞれ、正（＋）、負（－）とする。電流Ｉ（後述の電流密度パルスＪpulse及び電流パルスＩpulse）の符号についても同様である。
【0030】
図６Ａに、＋０．０２Ｔの外部磁場Ｈを印加したときのＴ＝１２０Ｋでの磁気素子１００のホール抵抗率ρｙｘの電流密度依存性を示し、図６Ｂに、電流密度パルスＪpulseの方向の切り替えによるホール抵抗率ρｙｘの変化を示す。図６Ａ及び図６Ｂでは、ＦｅＳｉ薄膜（非磁性絶縁層２０）の膜厚ｔを５ｎｍとしている。
【0031】
図６Ａに示すように、＋０．０２Ｔの外部磁場Ｈの下で、電流密度パルスＪpulseの大きさを正の方向に増加させていくと、閾値（～１．６×１０１１Ａ／ｍ２）でホール抵抗率ρｙｘの符号（磁化Ｍの向き）が、＋ｚ方向から－ｚ方向に切り替わる。電流密度パルスＪpulseの向きを反対（負）にすると、閾値（～－１．６×１０１１Ａ／ｍ２）でホール抵抗率ρｙｘの符号（磁化Ｍの向き）が、－ｚ方向から＋ｚ方向に切り替わる。一方、－０．０２Ｔの外部磁場Ｈを印加したときのホール抵抗率ρｙｘは、図６Ａとは逆符号となり、＋ｚ方向と－ｚ方向との間で切り替わる。
【0032】
図６Ｂの上側のグラフでは、電流密度パルスＪpulseの注入後、ホール抵抗率ρｙｘ（磁化Ｍのz成分に比例した量）を測定したタイミングを三角印で示している。図６Ｂの下側のグラフでは、外部磁場Ｈが＋０．０２Ｔ、－０．０２Ｔであるときのホール抵抗率ρｙｘの変化を、それぞれ、黒丸（実線）、白丸（点線）で示している。図６Ｂに示すように、電流密度パルスＪpulseを正（＋ｘ）方向と負（－ｘ）方向との間で切り替えると、それに伴ってホール抵抗率ρｙｘの符号（磁化Ｍの向き）が切り替わることがわかる。外部磁場Ｈの向きを逆にすると、ホール抵抗率ρｙｘの符号（磁化Ｍの向き）も逆になる。
【0033】
このように、電流密度パルスＪpulseの方向を切り替えることにより、磁化Ｍの方向を２方向（正方向と負方向）間で切り替えることができる。磁化Ｍの２方向の状態を、データ“０”及び“１”に割り当てると、電流密度パルスＪpulseによってデータの書き込みをすることができる。また、書き込み電流である電流密度パルスＪpulseよりも低電流密度の読み出し電流を、図５のｘ方向に流し、磁化Ｍの方向に応じたホール電圧Ｖｙｘを測定することにより、書き込まれたデータを読み出すことができる。このように、磁気素子１００を不揮発性メモリ素子として用いることができる。また、図５に示すホールバー構造の磁気素子１００は、半導体微細加工技術を用いれば、容易に集積化が可能である。
【0034】
非磁性絶縁層２０の表面の磁化の大きさは、キャップ層３０の材料によって異なる。図７に、ＦｅＳｉ薄膜に接合するキャップ層３０の材料として、ＣａＦ２、ＢａＦ２、ＭｇＯ、Ｓｉを用いた場合の表面単位面積あたりの磁化Ｍsheetの温度依存性を示す。Ｓｉの場合、ＦｅＳｉ薄膜のダングリングボンドがＳｉと共有結合することにより、表面の強磁性状態が失われ、磁化Ｍsheetはほぼゼロとなる。これに対し、ＣａＦ２、ＢａＦ２、ＭｇＯの場合、強磁性転移温度Ｔｃが、それぞれ、４００Ｋ以上、４００Ｋ以上、２２０Ｋとなり、大きく上昇している。特に、フッ化物（ＣａＦ２、ＢａＦ２）の場合、Ｔｃが室温（～３００Ｋ）を超えており、有限の磁化Ｍsheetが発現する温度領域が高温まで広がっていることがわかる。これは、ＦｅＳｉ薄膜にフッ化物からなるキャップ層３０を接合することにより、室温でもＦｅＳｉの磁化の向きが揃った強磁性状態が発現し、室温動作が可能な磁化状態の電気的制御技術の実現可能性を示唆している。
【0035】
図８Ａ及び図８Ｂに、ＦｅＳｉ薄膜に接合するキャップ層３０がＢａＦ２からなる場合の室温での異常ホール効果の実験結果を示す。具体的には、図８Ａは、外部磁場Ｈが±１０ｍＴ、０ｍＴ（ゼロ磁場）であるときのＴ＝３００Ｋでの磁気素子１００のホール抵抗率ρｙｘの電流依存性を示し、図８Ｂは、Ｔ＝３００Ｋにおいて電流パルスＩpulseの方向の切り替え（グラフａ）に伴うホール抵抗率ρｙｘの変化（グラフｂ及びｃ）を示している。図８Ａ及び図８Ｂでは、ＢａＦ２膜の膜厚を１０ｎｍ、ＦｅＳｉ薄膜の膜厚ｔを３ｎｍとし、磁気素子１００の幅（図５のｙ方向の長さ）を１０μｍとしている。
【0036】
図８Ａに示すように、＋１０ｍＴの外部磁場Ｈの下で、電流パルスＩpulseを正の方向に増加させていくと、閾値（～５ｍＡ）でホール抵抗率ρｙｘの符号（磁化Ｍの向き）が＋ｚ方向から－ｚ方向に切り替わる。電流パルスＩpulseの向きを反対にすると、閾値（～－５ｍＡ）でホール抵抗率ρｙｘの符号（磁化Ｍの向き）が、－ｚ方向から＋ｚ方向に切り替わる（実線の矢印参照）。一方、－１０ｍＴの外部磁場Ｈの下でのホール抵抗率ρｙｘは、＋１０ｍＴの印加時とは逆符号となって＋ｚ方向と－ｚ方向との間で切り替わる（点線の矢印参照）。
【0037】
図８Ａにおいて±３μΩｃｍ付近にある水平の点線は、磁化Ｍが面直方向（±ｚ方向）に完全に偏極した場合のホール抵抗率ρｙｘの値を表している。図８Ａから、±１０ｍＴの外部磁場Ｈの下では、磁化反転率が約９０％という高い値を示していることがわかる。また、図８Ａから明らかなように、ゼロ磁場においても磁化反転が観測されており、約６６％の磁化反転率を示している。
【0038】
図８Ｂのグラフａでは、電流パルスＩpulseの注入後、ホール抵抗率ρｙｘを測定したタイミングを三角印で示している。図８Ｂのグラフｂでは、外部磁場Ｈが＋１０ｍＴ、－１０ｍＴであるときのホール抵抗率ρｙｘの変化を、それぞれ、黒丸（実線）、白丸（点線）で示している。グラフｂに示すように、電流パルスＩpulseを正（＋ｘ）方向と負（－ｘ）方向との間で切り替えると、それに伴ってホール抵抗率ρｙｘの符号が切り替わることがわかる。外部磁場Ｈの向きを逆にすると、ホール抵抗率ρｙｘの符号も逆になる。これらの実験結果は、ＢａＦ２／ＦｅＳｉ膜において、室温で磁化を電気的に制御可能であることを意味している。
【0039】
また、図８Ｂのグラフｃより、ゼロ磁場においても、電流パルスＩpulseの方向の切り替えに伴って、ホール抵抗率ρｙｘの符号も切り替わっていることがわかる。これは、ＢａＦ２／ＦｅＳｉ膜において、室温かつゼロ磁場でも磁化を電気的に制御可能であることを意味している。
【0040】
このように、安価で低毒性の元素からなる化合物において、室温で磁化状態の電気的制御を行うことができる。
【符号の説明】
【0041】
１０ 基板
２０ 非磁性絶縁層
３０ キャップ層
４０ 中性子線
４２ 反射中性子線
５０、５２ 電極
１００ 磁気素子
２０ 非磁性絶縁層
３０ キャップ層
４０ 中性子線
４２ 反射中性子線
５０、５２ 電極
１００ 磁気素子
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7】
【図8A】
【図8B】