專利名稱：磁性元件和磁性信號(hào)處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種隨兩個(gè)磁性電極的磁化配置輸出信號(hào)的磁性元件，以及使用該磁性元件的磁性信號(hào)處理裝置。
背景技術(shù)：
常規(guī)電子技術(shù)中，使用“電荷”的自由度作為電子的自由度。但近來(lái)有一稱為自旋電子技術(shù)(spin electronics)的領(lǐng)域正迅速發(fā)展，該領(lǐng)域積極使用“自旋”，即電子的另一個(gè)自由度。當(dāng)使用自旋自由度時(shí)，單個(gè)元件可以具有多種功能。因而，可期望各種裝置小型化，并且可期望獲得節(jié)能效果。此外，自旋的非易失性也有助于節(jié)能。
通常通過(guò)將MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)、單一電子晶體管(SET)、或共振隧道晶體管的電極部分改變?yōu)榇判圆牧弦栽黾幼孕杂啥鹊姆绞絹?lái)設(shè)計(jì)諸如自旋MOSFET、自旋SET、以及自旋共振晶體管等各種類型的自旋晶體管(例如，S.Sugawara以及M.Tanaka，Appl.Phys.Lett.84，2307(2004)，和T.Matsuno，S.Sugawara，以及M.Tanaka，Jpn.J.APPL.Phys.(2004))。此外，還提出過(guò)在置于隧道勢(shì)壘上下的磁性電極之間運(yùn)用MR(磁阻)效應(yīng)(TMR)的信號(hào)處理裝置(例如，A.Ney等人，Nature，425(2003)485，和2004-006775號(hào)日本專利申請(qǐng)公開(kāi)公報(bào))。上述裝置其基本原理基于兩個(gè)磁性電極之間的自旋依存?zhèn)鲗?dǎo)現(xiàn)象。
上述自旋器件中，如何控制用作電極的磁性材料的磁化對(duì)于器件的驅(qū)動(dòng)是極其重要的。但只有少許器件在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到磁化控制。主流方法如A.Ney等人所提出的方案那樣依靠磁場(chǎng)控制磁性材料的磁化。但使用磁場(chǎng)的磁化控制方法中，由于納米級(jí)磁性材料因磁場(chǎng)本質(zhì)而難以選擇，容易發(fā)生交互干擾。而且，尺寸越小，所需的電力就越高。因此，可預(yù)期元件尺寸的減小和節(jié)能會(huì)很困難。為了解決這個(gè)問(wèn)題，日本特開(kāi)2004-006775號(hào)公報(bào)披露了一種使用依靠自旋注入磁化反轉(zhuǎn)的開(kāi)關(guān)的器件。但2004-006775號(hào)的日本專利申請(qǐng)公開(kāi)公報(bào)的技術(shù)難以使磁化反轉(zhuǎn)的信號(hào)和信號(hào)處理的信號(hào)獨(dú)立運(yùn)作。因此器件難以集成。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面所提供的是一種磁性元件，該磁性元件包括溝道層；與該溝道層接觸的第一磁性電極；與該溝道層接觸、并與第一磁性電極絕緣的第二磁性電極；與第一磁性電極鄰接設(shè)置、并具有第一絕緣層的第一中間層；設(shè)置為與該第一中間層的位于與接觸第一磁性電極的表面的相反側(cè)的表面接觸，以將磁化傳遞給第一磁性電極的第一磁性層；與第一磁性電極連接的第一電極；以及與第二磁性電極連接的第二電極，第一電極和第二電極中的至少一個(gè)輸出隨第一磁性電極和第二磁性電極的磁化配置變化的第一信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面所提供的是一種磁性信號(hào)處理裝置，該磁性信號(hào)處理裝置包括第一磁性元件和第二磁性元件，該第一磁性元件包括第一溝道層；與第一溝道層接觸的第一磁性電極；與第一溝道層接觸、并與第一磁性電極絕緣的第二磁性電極；與第一磁性電極鄰接設(shè)置、并具有第一絕緣層的第一中間層；設(shè)置為與該第一中間層的位于與接觸第一磁性電極的表面的相反側(cè)的表面接觸，以將磁化傳遞給第一磁性電極的第一磁性層；與第一磁性電極連接的第一電極；以及與第二磁性電極連接的第二電極，該第二磁性元件包括第二溝道層；與第二溝道層接觸的第三磁性電極；與第二溝道層接觸、并與第三磁性電極絕緣的第四磁性電極；與第三磁性電極鄰接設(shè)置、并具有第二絕緣層的第二中間層；設(shè)置為與該第二中間層的位于與接觸第三磁性電極的表面的相反側(cè)的表面接觸，以將磁化傳遞給第三磁性電極的第二磁性層；與第三磁性電極連接的第三電極；以及與第四磁性電極連接的第四電極，第一電極和第二電極其中至少一個(gè)輸出隨第一磁性電極和第二磁性電極的磁化配置變化的第一信號(hào)，并將該第一信號(hào)輸入至第二磁性層。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面所提供的是一種磁性信號(hào)處理裝置，該磁性信號(hào)處理裝置包括磁性元件，該磁性元件包括溝道層；與該溝道層接觸的第一磁性電極；與該溝道層接觸、并與第一磁性電極絕緣的第二磁性電極；與第一磁性電極鄰接設(shè)置、并具有第一絕緣層的第一中間層；設(shè)置為與該第一中間層的位于與接觸第一磁性電極的表面的相反側(cè)的表面接觸，以將磁化傳遞給第一磁性電極的第一磁性層；將磁化傳遞給第二磁性電極的第二磁性層；設(shè)置于第二磁性層和第二磁性電極之間、并具有第二絕緣層的第二中間層；以及與第一磁性電極連接的第一電極，和與第二磁性電極連接的第二電極，第一電極和第二電極中的至少一個(gè)輸出隨第一磁性電極和第二磁性電極的磁化配置變化的第一信號(hào)，而第二磁性層的磁化方向依靠第二磁性電極和第二磁性層之間通過(guò)第二中間層起作用的磁耦合傳遞至第二磁性電極的磁化方向。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面所提供的是一種磁性信號(hào)處理裝置，該磁性信號(hào)處理裝置包括磁性元件，該磁性元件包括溝道層；與該溝道層接觸的第一磁性電極；與該溝道層接觸、并與第一磁性電極絕緣的第二磁性電極；與第一磁性電極鄰接設(shè)置、并具有第一絕緣層的第一中間層；設(shè)置為與該第一中間層的位于與接觸第一磁性電極的表面的相反側(cè)的表面接觸，以將磁化傳遞給第一磁性電極的第一磁性層；將磁化傳遞給第二磁性電極的第二磁性層；設(shè)置于第二磁性層和第二磁性電極之間、并具有第二絕緣層的第二中間層；與第一磁性電極連接的第一電極；以及與第二磁性電極連接的第二電極，第一電極和第二電極中的至少一個(gè)輸出隨第一磁性電極和第二磁性電極的磁化配置變化的第一信號(hào)，通過(guò)將輸入信號(hào)1或0輸入至第一磁性層來(lái)執(zhí)行否定或肯定運(yùn)算處理，并將執(zhí)行結(jié)果作為第一信號(hào)輸出。


圖1是說(shuō)明本發(fā)明一例磁性元件的概要示意圖；圖2A是說(shuō)明本發(fā)明一例(類型1)磁性元件的概要示意圖；圖2B是說(shuō)明本發(fā)明另一例(類型2)磁性元件的概要示意圖；圖3A圖示的是本發(fā)明例按結(jié)構(gòu)分類的磁性元件；圖3B圖示的是本發(fā)明例按功能分類的磁性元件；圖4(a)和圖4(b)是本發(fā)明例的TMR磁性元件的示意圖；圖5A(a)和圖5A(b)是本發(fā)明例具有一個(gè)輸出電極的自旋擴(kuò)散磁性元件的示意圖；圖5B(a)和圖5B(b)是本發(fā)明例具有兩個(gè)輸出電極的自旋擴(kuò)散磁性元件的示意圖；圖6A(a)和圖6A(b)是本發(fā)明例具有一個(gè)輸出電極和化合物層的自旋擴(kuò)散磁性元件的示意圖；圖6B(a)和圖6B(b)是本發(fā)明例具有兩個(gè)輸出電極和化合物層的自旋擴(kuò)散磁性元件的示意圖；圖7A(a)和圖7A(b)是本發(fā)明例具有半導(dǎo)體層溝道的柵極驅(qū)動(dòng)磁性元件的示意圖；圖7B(a)和圖7B(b)是本發(fā)明例具有絕緣材料和導(dǎo)電材料組合所形成的溝道的柵極驅(qū)動(dòng)磁性元件的示意圖；
圖8是本發(fā)明例使用由強(qiáng)磁性絕緣材料所形成的中間層P的依靠直接交換耦合方式的磁性元件的示意圖；圖9是本發(fā)明例使用由絕緣非磁性材料所形成的中間層P的依靠層間交換耦合方式的磁性元件的示意圖；圖10是本發(fā)明例使用由絕緣非磁性材料所形成的中間層P的依靠靜磁耦合方式的磁性元件的示意圖；圖11A是本發(fā)明例采用進(jìn)動(dòng)方式的磁性元件的示意圖；圖11B(a)和圖11B(b)是本發(fā)明例采用進(jìn)動(dòng)方式的磁性元件1的示意圖；圖11C(a)和圖11C(b)是本發(fā)明例采用進(jìn)動(dòng)方式的磁性元件2的示意圖；圖12(a)至圖12(d)是顯示本發(fā)明例采用電壓控制磁性方式的磁性元件的示意圖；圖13(a)至圖13(c)是本發(fā)明例采用自旋注入磁化反轉(zhuǎn)方式的磁性元件的說(shuō)明圖；圖14(a)至圖14(d)是本發(fā)明例采用電壓控制磁性方式的磁性元件的說(shuō)明圖；圖15A、圖15B、圖15C、圖15D、圖15E、圖15F、圖15G和圖15H是顯示本發(fā)明第一實(shí)施例的磁性元件的示意圖；圖16A、圖16B、圖16C和圖16D是本發(fā)明第二實(shí)施例的磁性元件的示意圖；圖17A、圖17B、圖17C和圖17D是本發(fā)明第三實(shí)施例的磁性元件的示意圖；圖18A、圖18B、圖18C和圖18D是本發(fā)明第四實(shí)施例的磁性元件的示意圖；圖19A、圖19B、圖19C、圖19D和圖19E是本發(fā)明第五實(shí)施例的磁性元件的示意圖；圖20A、圖20B、圖20C和圖20D是本發(fā)明第六實(shí)施例的磁性元件的示意圖；圖21A、圖21B、圖21C、圖21D和圖21E是本發(fā)明第七實(shí)施例的磁性元件的示意圖；圖22A、圖22B、圖22C和圖22D是本發(fā)明第八實(shí)施例的磁性元件的示意圖；圖23A、圖23B、圖23C和圖23D是顯示本發(fā)明第八實(shí)施例的柵極驅(qū)動(dòng)(自旋MOSFET)磁性元件的布局圖；圖24A、圖24B和圖24C是顯示本發(fā)明第八實(shí)施例的柵極驅(qū)動(dòng)(自旋SET)磁性元件的布局圖；圖25A、圖25B和圖25C是顯示本發(fā)明第八實(shí)施例的柵極驅(qū)動(dòng)(自旋共振隧道晶體管)磁性元件的布局圖；圖26A(a)和圖26A(b)是本發(fā)明第九實(shí)施例具有多個(gè)TMR磁性元件的磁性信號(hào)處理裝置的示意圖；圖26B(a)和圖26B(b)是本發(fā)明第九實(shí)施例具有多個(gè)自旋擴(kuò)散磁性元件的磁性信號(hào)處理裝置的示意圖；圖27是本發(fā)明第九實(shí)施例具有多個(gè)TMR磁性元件的磁性信號(hào)處理裝置的示意圖；圖28顯示本發(fā)明第十實(shí)施例具有TMR磁性元件的磁性信號(hào)處理裝置的示意圖和真值表；圖29是本發(fā)明第十一實(shí)施例具有TMR磁性元件的磁性信號(hào)處理裝置的示意圖；以及圖30是本發(fā)明第十二實(shí)施例具有自旋擴(kuò)散磁性元件的磁性信號(hào)處理裝置的示意圖。
具體實(shí)施例方式概要圖1是說(shuō)明本發(fā)明一例磁性元件的概要示意圖。圖2A是說(shuō)明本發(fā)明一例(類型1)磁性元件的概要示意圖。圖2B是說(shuō)明本發(fā)明另一例(類型2)磁性元件的概要示意圖。下面將說(shuō)明本發(fā)明例的磁性元件的概要。
如圖1所示，本發(fā)明例的磁性元件包括溝道層O，與溝道層O接觸但彼此不接觸的磁性電極A和B，與磁性電極A鄰接設(shè)置、并具有絕緣層的中間層P，設(shè)置為與中間層P其與磁性電極A相反的一側(cè)表面接觸的磁性層C，與磁性電極A連接的電極H，以及與磁性電極B連接的電極J。
將電壓或電流提供給電極H和J其中至少一個(gè)時(shí)，輸出隨磁性電極A和B的磁化配置變化的信號(hào)。磁性層C用于將磁化傳遞給磁性電極A。根據(jù)磁性層C的磁化方向控制磁性電極A的磁化方向。
本發(fā)明例的這些磁性元件可以歸類為例如下述的類型1或類型2。但本發(fā)明例的全部磁性元件并不總是歸類為類型1或類型2。
如圖2A所示，類型1中，有一磁性層D設(shè)置于磁性層C其與磁性電極A相反的一側(cè)。磁性層D的磁化方向是固定的。有一中間層R設(shè)置于磁性層C和D之間。電極L與中間層R連接。中間層P包括非磁性或磁性絕緣層IN。磁性電極A和磁性層C通過(guò)絕緣層IN磁耦合。
類型1中，依靠經(jīng)過(guò)具有絕緣層的中間層P的磁耦合通過(guò)將磁性層C的磁化信息傳送給磁性電極A，將磁性層C的磁化方向傳遞至磁性電極A的磁化方向。磁性層C其本身具有可反轉(zhuǎn)的自由磁化。當(dāng)在電極L和K之間提供信號(hào)Y時(shí)，磁性層C的磁化方向受到控制。當(dāng)將電壓或電流提供給電極H和J其中至少一個(gè)時(shí)，輸出的是隨磁性電極A和B的磁化配置變化的信號(hào)。
如圖2B所示，類型2中，可以設(shè)置類型1的磁性層D和中間層R，但不必總是設(shè)置。磁性層C的磁化方向是固定的。具有絕緣層的中間層P包括非磁性層NM，并由例如非磁性絕緣層和非磁性金屬層的分層膜所形成。
類型2中，通過(guò)在電極K和H之間提供信號(hào)Z，將磁性層C的磁化方向傳遞至磁性電極A的磁化方向。類型2中，所傳遞的磁化方向取決于信號(hào)Z的大小，以便磁性層C的磁化方向和磁性電極A的磁化方向變?yōu)槠叫谢蚍聪蚱叫?。?dāng)將電壓或電流提供給電極H利J其中至少一個(gè)時(shí)，輸出的是隨磁性電極A和B的磁化配置變化的信號(hào)。
上述說(shuō)明中，類型1的磁性層D和類型2的磁性層C具有固定的磁化方向。所用的術(shù)語(yǔ)“固定”其意義如下面所述。類型1中，當(dāng)在電極L和K之間提供信號(hào)Y以使磁性層C的磁化反轉(zhuǎn)時(shí)，在這種條件下磁性層D的磁化不反轉(zhuǎn)。類型2中，當(dāng)在電極H和K之間提供信號(hào)Z以使磁性層A的磁化反轉(zhuǎn)時(shí)，在這種條件下磁性層C的磁化不反轉(zhuǎn)。
但要重寫(xiě)該磁性元件的運(yùn)算功能(使之可重新配置)時(shí)，類型1的磁性層D和類型2的磁性層C也可以改變磁化方向。將在后面的第十實(shí)施例中對(duì)此進(jìn)行具體說(shuō)明。
圖3A圖示的是本發(fā)明例按結(jié)構(gòu)分類的磁性元件。下面將說(shuō)明本發(fā)明例的磁性元件按結(jié)構(gòu)分類的概要。
如圖3A所示，本發(fā)明例類型1和2的磁性元件中，磁性電極A和B的形式可以歸類為三種類型例如TMR、自旋擴(kuò)散、以及柵極驅(qū)動(dòng)(場(chǎng)效應(yīng)晶體管FET)。磁性電極A和B的形式并不局限于這三種類型。
本發(fā)明例類型1和2的磁性元件中，磁性電極A和B的磁化配置可以歸類為兩種類型例如磁性電極A和B其中一個(gè)是自由的情形、以及磁性電極A和B兩者都是自由的情形。所謂“磁性電極A和B是自由的”是指磁性電極A和B的磁化方向可以反轉(zhuǎn)。
圖3B圖示的是本發(fā)明例按功能分類的磁性元件。下面將說(shuō)明本發(fā)明例的磁性元件按功能分類的概要。
如圖3B所示，本發(fā)明例類型1的磁性元件中，可以采用例如兩種方式自旋注入磁化反轉(zhuǎn)方式和電壓控制磁性方式，用于磁性層C的磁化反轉(zhuǎn)。磁性層C的磁化反轉(zhuǎn)方式并不局限于這兩種方式。
本發(fā)明例類型1的磁性元件中，磁性電極A的磁化反轉(zhuǎn)利用磁性電極A和磁性層C之間的磁耦合。磁性電極A和磁性層C之間的磁耦合方式可以歸類為四種類型例如直接交換耦合方式、層間交換耦合方式、靜磁耦合方式、以及進(jìn)動(dòng)方式。磁性電極A和磁性層C之間的磁耦合方式不局限于這四種方式。
本發(fā)明例類型2的磁性元件中，磁性電極A的磁化反轉(zhuǎn)方式是在磁性電極A和磁性層C之間加上電壓的電壓控制磁性方式。該磁化反轉(zhuǎn)方式并不局限于電壓控制磁性方式。
磁性電極A和B的形式為了隨磁性電極A和B的磁化配置改變輸出信號(hào)，可采用三種公知方式例如[2-1]TMR、[2-2]自旋擴(kuò)散、以及[2-3]柵極驅(qū)動(dòng)(FET)。
TMR圖4(a)和圖4(b)是本發(fā)明例的TMR磁性元件的示意圖。下面將說(shuō)明本發(fā)明例的TMR磁性元件的概要。
如圖4(a)和圖4(b)所示，TMR中將作為隧道勢(shì)壘的絕緣材料或半導(dǎo)體當(dāng)作溝道層O使用。利用隨磁性電極A和B磁化方向之間的相對(duì)角改變電阻的TMR效應(yīng)。通常，當(dāng)磁化平行時(shí)，電極H和J之間的電阻最小。當(dāng)磁化反向平行時(shí)，電極H和J之間的電阻最大。在電極H和J之間加上電壓以得到電流作為輸出信號(hào)。作為替代，在電極H和J之間提供電流以得到電壓作為輸出信號(hào)。
自旋擴(kuò)散圖5A(a)和圖5A(b)是本發(fā)明例具有一個(gè)輸出電極的自旋擴(kuò)散磁性元件的示意圖。圖5B(a)和圖5B(b)是本發(fā)明例具有兩個(gè)輸出電極的自旋擴(kuò)散磁性元件的示意圖。圖6A(a)和圖6A(b)是本發(fā)明例具有一個(gè)輸出電極和化合物層的自旋擴(kuò)散磁性元件的示意圖。圖6B(a)和圖6B(b)是本發(fā)明例具有兩個(gè)輸出電極和化合物層的自旋擴(kuò)散磁性元件的示意圖。下面將說(shuō)明本發(fā)明例的自旋擴(kuò)散磁性元件的概要。
如圖5A(a)、圖5A(b)、圖5B(a)、和圖5B(b)所示，自旋擴(kuò)散中將金屬用于溝道層O。電極I(一個(gè)或多個(gè)電極)設(shè)置于溝道層O上。有一電流源(未圖示)與電極H或I連接。在電極H和I之間提供自旋極化的電子e(下文稱作自旋極化電子)。同時(shí)，在電極J和I之間加上電壓以得到輸出電壓Vf和Vaf。輸出電壓Vf和Vaf隨磁性電極A和B的磁化配置而改變。也可以通過(guò)在電極H和I之間加上電壓來(lái)得到電極J和I之間所流過(guò)的電流作為輸出。
如圖6A(a)、圖6A(b)、圖6B(a)、和圖6B(b)所示，包含氧、氮和氟其中至少一個(gè)的化合物層Q可以設(shè)置于溝道層O和磁性電極A和B之間。
用這種結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提高輸出電壓Vf和Vaf。
柵極驅(qū)動(dòng)(FET)圖7A(a)和圖7A(b)是本發(fā)明例具有半導(dǎo)體層溝道的柵極驅(qū)動(dòng)磁性元件的示意圖。
圖7B(a)和圖7B(b)是本發(fā)明例具有絕緣材料和導(dǎo)電材料組合所形成的溝道的柵極驅(qū)動(dòng)磁性元件的示意圖。下面將說(shuō)明本發(fā)明例的柵極驅(qū)動(dòng)磁性元件的概要。
如圖7A(a)、圖7A(b)、圖7B(a)、和圖7B(b)所示，柵極驅(qū)動(dòng)中，將半導(dǎo)體、或絕緣體Oa和導(dǎo)體Ob的組合用于溝道層O。溝道隨柵極電壓而開(kāi)放。當(dāng)溝道開(kāi)放時(shí)，電阻隨磁性電極A和B的磁化配置而改變。平行磁化配置中，電阻最小。反向平行狀態(tài)下電阻最大。
磁性電極A的磁化反轉(zhuǎn)方式[3-1]磁性電極A和磁性層C之間的磁耦合方式本發(fā)明例(類型1)的磁性元件中，利用磁性電極A和磁性層C之間的磁耦合將磁性電極A的磁化方向控制為所期望的方向。舉例來(lái)說(shuō)，采用下面四種磁耦合方式。
(a)直接交換耦合方式圖8是本發(fā)明例使用由強(qiáng)磁性絕緣材料所形成的中間層P的依靠直接交換耦合方式的磁性元件的示意圖。下面將說(shuō)明本發(fā)明例的直接交換耦合方式。
如圖8所示，直接交換耦合方式中，將強(qiáng)磁性絕緣層用作中間層P。強(qiáng)磁性包括鐵氧體磁性。在這種情況下，磁性層C、中間層P、以及磁性電極A通過(guò)直接交換相互作用彼此平行地磁耦合。因此，可以將磁性層C的磁化方向平行地磁化傳遞給磁性電極A。
(b)層間交換耦合方式圖9是本發(fā)明例使用由絕緣非磁性材料所形成的中間層P的依靠層間交換耦合方式的磁性元件的示意圖。下面將說(shuō)明本發(fā)明例的層間交換耦合方式。
如圖9所示，層間交換耦合方式中，將厚度為例如2nm或以下的非磁性絕緣層用作中間層P。在這種情況下，由于通過(guò)中間層P(非磁性絕緣層)起到負(fù)向或正向的層間交換相互作用，因而磁性電極A和磁性層C反強(qiáng)磁耦合或強(qiáng)磁耦合。隨著中間層P(非磁性絕緣層)變薄，磁耦合變強(qiáng)。當(dāng)中間層P比2nm厚時(shí)，耦合很少發(fā)生。厚度為1nm或以下的非磁性導(dǎo)電層可以與非磁性絕緣層鄰接設(shè)置。利用這種結(jié)構(gòu)，磁性層C的磁化方向平行地或反向平行地傳遞至磁性電極A的磁化方向。該平行或反向平行的狀態(tài)由中間層P的材料和厚度決定。
(C)靜磁耦合方式圖10是本發(fā)明例使用由絕緣非磁性材料所形成的中間層P的依靠靜磁耦合方式的磁性元件的示意圖。下面將說(shuō)明本發(fā)明例的靜磁耦合方式。
如圖10所示，將非磁性絕緣層用作中間層P。磁性層C和磁性電極A通過(guò)靜磁耦合來(lái)磁耦合。當(dāng)磁性層C的尺寸較小時(shí)這種方式很有效。利用這種結(jié)構(gòu)，磁性層C的磁化方向反向平行地磁化傳遞至磁性電極A的磁化方向。磁性層C的期望尺寸是200nm或以下。如果尺寸較大，便沒(méi)有足夠的靜磁力作用于磁性電極A上。
(d)進(jìn)動(dòng)方式圖11A是本發(fā)明例采用進(jìn)動(dòng)方式的磁性元件的示意圖。圖11B(a)和圖11B(b)是本發(fā)明例采用進(jìn)動(dòng)方式的磁性元件1的示意圖。圖11C(a)和圖11C(b)是本發(fā)明例采用進(jìn)動(dòng)方式的磁性元件2的示意圖。下面將說(shuō)明本發(fā)明例的借助于微波的進(jìn)動(dòng)方式。
如圖11B(a)和圖11C(a)所示，進(jìn)動(dòng)方式中，中間層R和以磁方式固定的磁性層D設(shè)置于磁性層C上。如圖11A所示，在磁性層C和D之間提供自旋極化電子e，以使磁性層C的磁化進(jìn)動(dòng)。當(dāng)此時(shí)來(lái)自磁性層C的微波射頻(RF)輸出由磁性電極A吸收時(shí)，磁性層C和磁性電極A通過(guò)進(jìn)動(dòng)來(lái)耦合。在這種情況下，可以通過(guò)同時(shí)加上外部磁場(chǎng)來(lái)增加該效果。
當(dāng)在磁性層D和C之間通過(guò)中間層R起到負(fù)向的層間交換相互作用時(shí)或當(dāng)磁性層C和D靜磁耦合時(shí)形成圖11B(a)中所示的磁性元件1。在上述情況下，當(dāng)沒(méi)有電流提供時(shí)，磁性層D的磁化和磁性層C的磁化呈反向平行。
在這種狀態(tài)下，如圖11B(b)所示，當(dāng)提供電流以使自旋極化電子e從磁性層D流至磁性層C時(shí)，磁性層C的磁化在預(yù)定閾值或以上電流的條件下引起進(jìn)動(dòng)。另外，通過(guò)該進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生微波RF。
當(dāng)在磁性層D和C之間通過(guò)中間層R起到正向的層間交換相互作用時(shí)形成圖11C(a)所示的磁性元件2。在這種情況下，當(dāng)沒(méi)有電流提供時(shí)，磁性層D的磁化和磁性層C的磁化平行。
在這種狀態(tài)下，如圖11C(b)所示，當(dāng)提供電流以使自旋極化電子e從磁性層C流至磁性層D時(shí)，磁性層C的磁化在預(yù)定閾值或以上電流的條件下引起進(jìn)動(dòng)。另外，通過(guò)該進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生微波RF。
電壓控制磁性方式本發(fā)明例(類型2)的磁性元件中，通過(guò)控制磁性電極A和磁性層C之間所要加上的電壓，將磁性電極A的磁化方向控制至所期望的方向。
圖12(a)至圖12(d)是顯示本發(fā)明例采用電壓控制磁性方式的磁性元件的示意圖。下面將說(shuō)明本發(fā)明例的電壓控制磁性方式。
如圖12(a)所示，電壓控制磁性方式中，具有絕緣層的中間層P包括非磁性絕緣層。所使用的是包括絕緣層和金屬層的非磁性層NM。作為非磁性層NM，舉例來(lái)說(shuō)，可使用MgO+Au、MgO+Ag、或MgO+Cr。
電壓控制磁性方式中，所利用的現(xiàn)象其中如圖12(d)所示，依靠電極H和K之間加上的電壓，改變磁性電極A和磁性層C之間的磁耦合。具體來(lái)說(shuō)，控制所加上的電壓來(lái)使得磁性電極A和磁性層C之間正向磁耦合(圖12(b))或負(fù)向磁耦合(圖12(c))。利用這種方式，磁性層C的磁化方向傳遞至磁性電極A的磁化方向。
磁性層C的磁化反轉(zhuǎn)方式作為本發(fā)明例(類型1)的磁性層C的磁化反轉(zhuǎn)方式，可以采用兩種方式例如[4-1]自旋注入磁化反轉(zhuǎn)方式和[4-2]電壓控制磁性方式。
自旋注入磁化反轉(zhuǎn)方式圖13(a)至圖13(c)是本發(fā)明例采用自旋注入磁化反轉(zhuǎn)方式的磁性元件的說(shuō)明圖。下面將說(shuō)明本發(fā)明例的自旋注入磁化反轉(zhuǎn)方式。
如圖13(a)所示，自旋注入磁化反轉(zhuǎn)方式中，中間層R由導(dǎo)電材料和最好是具有低電阻的金屬所形成。但中間層R的材料理論上可以是半導(dǎo)體或絕緣體。
自旋注入磁化反轉(zhuǎn)方式中，當(dāng)將自旋極化電子e從磁性層D注入到磁性層C時(shí)，得到平行磁化配置(圖13(b))。當(dāng)將自旋極化電子e從磁性層C注入到磁性層D時(shí)，得到反向平行的磁化配置(圖13(c))。具體來(lái)說(shuō)，自旋注入磁化反轉(zhuǎn)方式中，依靠磁性層C和D之間所注入的自旋極化電子e的方向確定磁性層C的磁化方向。
但當(dāng)磁性層C和D之間存在靜磁耦合時(shí)，磁化配置在弱電流條件下保持反向平行。當(dāng)從磁性層D提供至磁性層C的電流變大時(shí)，磁化配置改變?yōu)榉聪蚱叫小?br> 電壓控制磁性方式圖14(a)至圖14(d)是本發(fā)明例采用電壓控制磁性方式的磁性元件的說(shuō)明圖。下面將說(shuō)明本發(fā)明例的電壓控制磁性方式。
如圖14(a)所示，電壓控制磁性方式中，中間層R使用包括絕緣層和金屬層的分層膜。
電壓控制磁性方式中，所利用的現(xiàn)象如圖14(d)所示，依靠電極L和K之間加上的電壓，改變磁性層D和C之間的磁耦合。具體來(lái)說(shuō)，控制所加上的電壓的大小來(lái)使得磁性層D和C之間正向磁耦合(圖14(b))或負(fù)向磁耦合(圖14(c))。利用這種方式控制磁性層C的磁化方向。
接下來(lái)就每一模式檢測(cè)隨磁性電極A和B的磁化配置變化的輸出、具體說(shuō)明本發(fā)明各例。第一至第四實(shí)施例給出各例類型1的磁性元件。第五至第八實(shí)施例給出各例類型2的磁性元件。第九至第十二實(shí)施例給出各例使用類型1或2的磁性元件的磁性信號(hào)處理裝置。
第一實(shí)施例第一實(shí)施例中，將說(shuō)明一例類型1的TMR磁性元件。
結(jié)構(gòu)圖15A至圖15H是顯示本發(fā)明第一實(shí)施例的磁性元件的示意圖。下面將說(shuō)明本發(fā)明第一實(shí)施例的磁性元件的結(jié)構(gòu)。
如圖15A所示，第一實(shí)施例的磁性元件包括包括隧道勢(shì)壘層TB的溝道層O；夾住該溝道層O的磁性電極A和B；設(shè)置于磁性電極A側(cè)的磁性層C；設(shè)置于磁性層C和磁性電極A之間的非磁性或磁性絕緣層IN(中間層P)；設(shè)置于磁性層C其與磁性電極A相反的一側(cè)的磁性層D；由金屬或絕緣體所形成、設(shè)置于磁性層C和D之間的中間層R；與磁性電極A連接的電極H；與磁性電極B連接的電極J；與磁性層C連接的電極K；以及與磁性層D連接的電極L。
磁性電極A和B接觸隧道勢(shì)壘層TB的不同表面但彼此并不接觸。磁性電極A和B、隧道勢(shì)壘層TB、磁性層C和D、絕緣層IN、以及中間層R在Y方向上層疊。換句話說(shuō)，磁性電極A和B、隧道勢(shì)壘層TB、磁性層C和D、絕緣層IN、以及中間層R彼此接觸的各表面平行。磁性電極A和B、隧道勢(shì)壘層TB、磁性層C和D、絕緣層IN、以及中間層R具有幾乎相同的面積和相一致的側(cè)面。
為了設(shè)定磁化方向的基準(zhǔn)，使磁性電極B和磁性層D的磁化固定。另一方面，磁性電極A和磁性層C具有可逆磁化并且彼此磁耦合。磁性電極A、B和磁性層C、D其磁化可以為縱向磁化或者垂直磁化。
磁性層C和磁性電極A其中至少一個(gè)由在室溫下顯示沒(méi)有磁滯的磁性材料所形成。當(dāng)使用這樣的磁性材料時(shí)，可以在低功率條件下發(fā)生磁化反轉(zhuǎn)。當(dāng)磁性電極B由在室溫下顯示具有磁滯的材料所形成時(shí)，可以將運(yùn)算處理功能重寫(xiě)作為硬件。
通過(guò)使用電極H和J輸出隨磁性電極A和B的磁化配置變化的信號(hào)X。通過(guò)使用電極K和L提供信號(hào)Y以控制磁性層C的磁化方向。可以將電極H和J設(shè)置于磁性電極A和B的任何位置，只要可以在磁性電極A和B之間提供信號(hào)X。當(dāng)電極H和J如圖15A所示設(shè)置于不同側(cè)面時(shí)，可以提高對(duì)信號(hào)Y中與磁性電極A和B的磁化配置相對(duì)應(yīng)的變化的讀出準(zhǔn)確度。同樣，可以將電極K和L設(shè)置于磁性層C和D的任何位置，只要可以在磁性層C和D之間提供信號(hào)Y。當(dāng)電極K和L如圖15A所示設(shè)置于不同側(cè)面時(shí)，可以提高磁性層C磁化方向的可控能力。
第一實(shí)施例的磁性元件并不局限于圖15A所示的結(jié)構(gòu)，可以多樣化地改變?yōu)槔缦旅嬲f(shuō)明的圖15B至圖15H中所示的各結(jié)構(gòu)。圖15A至圖15H中所示的各結(jié)構(gòu)可以組合。
如圖15B所示，中間層R和磁性層D可以相對(duì)于在Y方向上所層疊的磁性電極A和B、隧道勢(shì)壘層TB、絕緣層IN、以及磁性層C按一角度在X方向上堆疊。換句話說(shuō)，中間層R和磁性層C和D彼此接觸的各表面與磁性電極A和B、隧道勢(shì)壘層TB、絕緣層IN、以及磁性層C彼此接觸的各表面垂直。即便是這種結(jié)構(gòu)，也可以得到與上述相同的效果。
如圖15C所示，磁性電極B的磁化可以反轉(zhuǎn)。在這種情況下，磁性層C’設(shè)置于磁性電極B側(cè)。絕緣層IN’(中間層P’)設(shè)置于磁性層C’和磁性電極B之間。磁性層D’設(shè)置于磁性層C’其與磁性電極B相反的一側(cè)。中間層R’設(shè)置于磁性層C’和D’之間。電極K’和L’分別與磁性層C’和D’連接。使用電極K’和L’提供信號(hào)Y’以控制磁性層C’的磁化方向。這種結(jié)構(gòu)中，磁性層C和C’以及磁性電極A和B其中至少一個(gè)最好由在室溫下顯示沒(méi)有磁滯的磁性材料所形成。
如圖15D所示，磁性電極B和隧道勢(shì)壘層TB可以相對(duì)于在Y方向上層疊的磁性電極A、絕緣層IN、磁性層C和D、以及中間層R按一角度在X方向上堆疊。另外，電極L可以設(shè)置于磁性層D的上表面?zhèn)取?br> 磁性電極A和B可以具有不同的面積。由于熱波動(dòng)，具有小面積的磁性電極(圖15D中的磁性電極B)沒(méi)有磁滯，從而能夠在低功率條件下實(shí)現(xiàn)磁開(kāi)關(guān)。至于具有大面積的磁性電極(圖15D中的磁性電極A)，當(dāng)根據(jù)磁化方向記錄的同時(shí)抑制熱波動(dòng)，可以通過(guò)軟件以非易失方式重寫(xiě)運(yùn)算處理功能。
磁性電極A和B其中一側(cè)較好是具有200nm或以下的長(zhǎng)度，更為理想的是100nm或以下。如果尺寸大于200nm，電流場(chǎng)的影響便變大，難以控制磁化。
如圖15E所示，磁性電極B的磁化可以在圖15D中所示的結(jié)構(gòu)中反轉(zhuǎn)。這種情況下，磁性層C’設(shè)置于磁性電極B的上方。絕緣層IN’(中間層P’)設(shè)置于磁性層C’和磁性電極B之間。磁性層D’設(shè)置于磁性層C’其與磁性電極B相反的一側(cè)。中間層R’設(shè)置于磁性層C’和D’之間。電極K’和L’分別與磁性層C’和D’連接。用電極K’和L’提供信號(hào)Y’以控制磁性層C’的磁化方向。
如圖15F所示，反強(qiáng)磁性層S和S’可以設(shè)置為分別與磁性電極B和磁性層D接觸以固定它們的磁化。電極L可以設(shè)置于磁性層D上或者反強(qiáng)磁性層S上?？紤]到輸出信號(hào)X的準(zhǔn)確度，電極J最好如圖15F所示設(shè)置于磁性電極B上。但電極J可以設(shè)置于反強(qiáng)磁性層S’上。當(dāng)設(shè)置有反強(qiáng)磁性層S和S’時(shí)，所賦予的是單一方向的磁各向異性從而使磁化固定。也可以通過(guò)使用具有大磁晶各向異性的材料但不形成反強(qiáng)磁性層S和S’來(lái)固定磁化。
如圖15G所示，磁性電極B的磁化可以在圖15F所示的結(jié)構(gòu)中反轉(zhuǎn)。在這種情況下，磁性層C’設(shè)置于磁性電極B的下方。絕緣層IN’(中間層P’)設(shè)置于磁性層C’和磁性電極B之間。磁性層D’設(shè)置于磁性層C’其與磁性電極B相反的一側(cè)。中間層R’設(shè)置于磁性層C’和D’之間。反強(qiáng)磁性層S’設(shè)置為與磁性層D’接觸。電極K’和L’分別與磁性層C’和反強(qiáng)磁性層S’連接。用電極K’和L’提供信號(hào)Y’以控制磁性層C’的磁化方向。
如圖15H所示，磁性電極A和B其平面形狀不必總是矩形，也可以是菱形、橢圓形、或圓形。全部磁性電極A和B、隧道勢(shì)壘層TB、磁性層C和D、絕緣層IN、以及中間層R不必總是具有相一致的側(cè)面。如果絕緣層IN設(shè)置于磁性電極A和磁性層C之間，絕緣層IN便可以延伸到磁性電極B。
工作原理下面將說(shuō)明本發(fā)明第一實(shí)施例的磁性元件的工作原理。這里說(shuō)明圖15A中所示的結(jié)構(gòu)的工作原理。
第一，在電極K和L間輸入信號(hào)Y以控制磁性層C的磁化。作為控制磁性層C磁化的方式，可以采用上述自旋注入磁化反轉(zhuǎn)方式(圖13)或電壓控制磁性方式(圖14)。具體來(lái)說(shuō)，依靠下面所要說(shuō)明的不同機(jī)理來(lái)控制磁性層C相對(duì)于磁性層D的磁化方向。
自旋注入磁化反轉(zhuǎn)方式中，將導(dǎo)電材料和最好是具有低電阻的金屬用于中間層R。由磁性層C和D之間所提供的電流的方向控制磁性層C的磁化方向。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)自旋極化電子從磁性層D注入到磁性層C時(shí)，磁性層C的磁化方向與磁性層D的磁化方向平行。當(dāng)自旋極化電子從磁性層C注入到磁性層D時(shí)，磁性層C的磁化方向與磁性層D的磁化方向反向平行。
電壓控制磁性方式中，將包含絕緣層和金屬層的分層膜用作中間層R。所利用的現(xiàn)象其中由電極L和K之間加上的電壓改變磁性層D和C之間的磁耦合。
第二，如上所述依靠磁性電極A和磁性層C之間通過(guò)絕緣層IN的磁耦合(依靠圖8至圖11C中所示的磁耦合方式)，將其磁化方向由信號(hào)Y控制的磁性層C的磁化信息傳送給磁性電極A。由于絕緣層IN設(shè)置于磁性層C和磁性電極A之間，因而僅有磁化信息可以傳送，沒(méi)有任何電信號(hào)干擾。
第三，在電極H和J間加上電壓或電流(稱為驅(qū)動(dòng)電壓或驅(qū)動(dòng)電流)以輸出隨磁性電極A和B的磁化配置變化的隧道電流或電壓(信號(hào)X)。
要素下面將具體說(shuō)明磁性元件的各組成要素(主要材料)。
(a)磁性電極A和B以及磁性層C和D作為磁性電極A和B以及磁性層C的材料，可以使用例如“鐵(Fe)單質(zhì)”、“鈷(Co)單質(zhì)”、“鎳(Ni)單質(zhì)”、“包含從鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、錳(Mn)、以及鉻(Cr)所組成的群當(dāng)中選擇的至少一個(gè)元素的合金”、“稱為鎳鐵導(dǎo)磁合金的NiFe合金”、“諸如CoNbZr合金、FeTac合金、CoTaZr合金、FeAlSi合金、FeB合金、或CoFeB合金這種軟磁性材料”、“錳鋁銅強(qiáng)磁性合金、磁性半導(dǎo)體、或諸如CrO2、Fe3O4、或La1-xSrxMnO3這種半金屬磁性氧化物(或半金屬磁性氮化物)”。
作為上述“磁性半導(dǎo)體”，可以使用包含鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、以及錳(Mn)的物質(zhì)和化合物半導(dǎo)體或氧化物半導(dǎo)體。具體來(lái)說(shuō)，各磁性半導(dǎo)體例是(Ga，Cr)N、(Ga，Mn)N、MnAs、CrAs、(Ga，Cr)As、ZnO∶Fe、(Mg，F(xiàn)e)O、以及Co∶TiO。
作為磁性電極A和B以及磁性層C，也可以使用包括反強(qiáng)磁耦合的磁性層、非磁性層、以及磁性層的多層膜。在這種情況下，最好是將諸如釕(Ru)、銥(Ir)、或鉻(Cr)這種非磁性金屬層，以及反強(qiáng)磁性材料用于非磁性層。為了得到反強(qiáng)磁耦合，多層膜中的非磁性層最好是具有例如0.2nm至3nm厚度。
磁性電極A和B以及磁性層C也可以使用下面包含多層磁性層的多層結(jié)構(gòu)。舉例來(lái)說(shuō)，可以使用具有兩層結(jié)構(gòu)或三層結(jié)構(gòu)的分層體，其中兩層結(jié)構(gòu)的分層體包含[(Co或CoFe合金)/(NiFe、包含NiFeCo的鎳鐵導(dǎo)磁合金、或Ni)]，而三層結(jié)構(gòu)的分層體則包含[(Co或CoFe合金)/(NiFe、包含NiFeCo的鎳鐵導(dǎo)磁合金、或Ni)/(Co或CoFe合金)]。
作為在室溫下顯示沒(méi)有磁滯現(xiàn)象(在室溫下沒(méi)有抗磁力)的磁性電極A和B以及磁性層C的材料，可以使用在室溫下顯示磁波動(dòng)的磁性材料或磁性半導(dǎo)體?？梢杂刹牧?、尺寸(厚度和大小)、以及各向異性(包含形狀)限定磁波動(dòng)。
其中在給定時(shí)間范圍內(nèi)在室溫下磁化并非在一個(gè)方向上一定的狀態(tài)表述為“磁化波動(dòng)”。給定的時(shí)間范圍與元件工作時(shí)間相關(guān)，具體來(lái)說(shuō)表示幾十秒鐘或以內(nèi)的時(shí)間。
令Ku為磁性電極A和B的磁各向異性，而V則為它們的體積。為了由磁性電極A和B的尺寸或磁各向異性得到磁波動(dòng)，最好是保持KuV/kT＜20。如果20≤KuV/kT≤50，磁波動(dòng)便較緩，反轉(zhuǎn)變化很大。如果KuV/kT＜20，可在加電流時(shí)間內(nèi)得到合適的磁波動(dòng)。因此，可以使反轉(zhuǎn)電流較小，并且可以實(shí)現(xiàn)高速反轉(zhuǎn)。
當(dāng)用普通的磁性材料時(shí)，磁性電極A和B以及磁性層C和D其比較一般的平面尺寸在縱向方向上為200nm或以下，較好是100nm或以下，更為理想的是數(shù)十nm。而且最好是使厚度小到幾nm(＜10nm)，或者使長(zhǎng)寬比接近1。
舉例來(lái)說(shuō)，如果元件大小或形狀各向異性必須很大，通過(guò)選擇材料來(lái)實(shí)現(xiàn)該特性。具體來(lái)說(shuō)，最好使用通過(guò)在非磁性矩陣中分散磁性微粒所形成的微粒膜、或低飽和磁性材料。
上述“磁性微?！备骼恰拌F(Fe)單質(zhì)”微粒、“鈷(Co)單質(zhì)”微粒、“鎳(Ni)單質(zhì)”微粒、“包含從鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、錳(Mn)、以及鉻(Cr)所組成的群當(dāng)中選擇的至少一個(gè)元素的合金”微粒、“稱為鎳鐵導(dǎo)磁合金的NiFe合金”微粒、“諸如CoNbZr合金、FeTac合金、CoTaZr合金、FeAlSi合金、FeB合金、或CoFeB合金這種軟磁性材料”微粒、“錳鋁銅強(qiáng)磁性合金、磁性半導(dǎo)體、或諸如CrO2、Fe3O4、或La1-xSrxMnO3這種半金屬磁性氧化物(或半金屬磁性氮化物)”微粒。上面已經(jīng)說(shuō)明了各“磁性半導(dǎo)體”例。為了得到波動(dòng)，磁性微粒的尺寸最好是10nm或以下。
作為上述“非磁性矩陣”，可以使用諸如Cu、Au、或Ag這種非磁性金屬，或諸如GaN、GaAs、ZnO、MgO、TiO、Al2O3、SiO2、或AlN這種半導(dǎo)體或介電材料。上述氧化物或氮化物通常包含元素缺陷，不過(guò)可使用這樣的介電薄膜而沒(méi)有問(wèn)題。
當(dāng)通過(guò)減小尺寸或磁各向異性在磁性電極A和B以及磁性層C中得到波動(dòng)時(shí)，最好是從下述物質(zhì)當(dāng)中選擇適合于應(yīng)用用途的具有磁特性的材料。
舉例來(lái)說(shuō)，可以使用“鐵(Fe)單質(zhì)”、“鈷(Co)單質(zhì)”、“鎳(Ni)單質(zhì)”、“包含從鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、錳(Mn)、以及鉻(Cr)所組成的群當(dāng)中選擇的至少一個(gè)元素的合金”、“稱為鎳鐵導(dǎo)磁合金的NiFe合金”、“諸如CoNbZr合金、FeTac合金、CoTaZr合金、FeAlSi合金、FeB合金、或CoFeB合金這種軟磁性材料”、“錳鋁銅強(qiáng)磁性合金、磁性半導(dǎo)體、或諸如CrO2、Fe3O4、或La1-xSrxMnO3這種半金屬磁性氧化物(或半金屬磁性氮化物)”。上面已經(jīng)說(shuō)明了各“磁性半導(dǎo)體”例。
作為磁性層D和在磁化固定過(guò)程中形成磁化固定部分的磁性電極B的強(qiáng)磁性材料，最好是從下述物質(zhì)當(dāng)中選擇適合于應(yīng)用用途的具有磁特性的材料。
舉例來(lái)說(shuō)，可以使用“鐵(Fe)單質(zhì)”、“鈷(Co)單質(zhì)”、“鎳(Ni)單質(zhì)”、“包含從鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、錳(Mn)、以及鉻(Cr)所組成的群當(dāng)中選擇的至少一個(gè)元素的合金”、“稱為鎳鐵導(dǎo)磁合金的NiFe合金”、“諸如CoNbZr合金、FeTac合金、CoTaZr合金、FeAlSi合金、FeB合金、或CoFeB合金這種軟磁性材料”、“錳鋁銅強(qiáng)磁性合金、磁性半導(dǎo)體、或諸如CrO2、Fe3O4、或La1-xSrxMnO3這種半金屬磁性氧化物(或半金屬磁性氮化物)”。上面已經(jīng)說(shuō)明了各“磁性半導(dǎo)體”例。
用于該固定部分的磁性層可以由連續(xù)的磁性材料所形成，或具有通過(guò)在非磁性矩陣中沉淀或形成磁性材料的微粒所得到的復(fù)合結(jié)構(gòu)?？梢允褂梅Q為例如“微粒磁性材料”的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
固定部分可以由包含反強(qiáng)磁耦合或強(qiáng)磁耦合的磁性層、非磁性層、以及磁性層在內(nèi)的多層膜所形成。由于可以消除漏磁場(chǎng)，所以具有反強(qiáng)磁耦合的磁性/非磁性/磁性結(jié)構(gòu)尤其理想。最好是將諸如釕(Ru)、銥(Ir)、或鉻(Cr)這種非磁性金屬層和反強(qiáng)磁性材料用于多層膜的非磁性層。為了得到反強(qiáng)磁耦合或強(qiáng)磁耦合，非磁性層最好具有例如0.2nm至3nm厚度。
磁化固定部分也可以使用下列包含多層磁性層的多層結(jié)構(gòu)。舉例來(lái)說(shuō)，可以使用包擴(kuò)[(Co或CoFe合金)/(NiFe、包含NiFeCo的鎳鐵導(dǎo)磁合金、或Ni)]在內(nèi)的具有兩層結(jié)構(gòu)的分層體，或包括[(Co或CoFe合金)/(NiFe、包含NiFeCo的鎳鐵導(dǎo)磁合金、或Ni)/(Co或CoFe合金)]在內(nèi)的具有三層結(jié)構(gòu)的分層體。
(b)反強(qiáng)磁性層S當(dāng)磁性層D或磁性電極B磁性固定時(shí)，可以通過(guò)設(shè)置反強(qiáng)磁性層S與磁性層D或磁性電極B直接接觸來(lái)增加固定力。作為反強(qiáng)磁性層S的材料，最好是使用錳化鐵(FeMn)、錳化鉑(PtMn)、錳化鈀(PdMn)、或錳化鉑鈀(PdPtMn)。
(c)中間層R當(dāng)通過(guò)圖12(a)中所示的自旋注入磁化反轉(zhuǎn)方式來(lái)控制磁性層C的磁化時(shí)，最好是將低電阻材料用于中間層R。各例低電阻材料是銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鋁(Al)、以及包含上述金屬其中至少一種金屬的合金。當(dāng)中間層R具有例如1nm至60nm厚度時(shí)，可以得到磁化反轉(zhuǎn)效果。
當(dāng)通過(guò)圖12(b)中所示的電壓控制磁性方式來(lái)控制磁性層C的磁化時(shí)，最好是將絕緣層或包含絕緣層和金屬層的分層膜用作中間層R。分層膜的絕緣層和金屬層的各例組合是MgO+Au、MgO+Ag、以及MgO+Cr。
(d)隧道勢(shì)壘層TB第一實(shí)施例中，當(dāng)將非磁性的隧道勢(shì)壘材料用于溝道層O時(shí)，可以得到高輸出。隧道勢(shì)壘層TB的各例材料是由氧化物(例如氧化鋁(Al2O3-X)、氧化鎂(MgO)、SiO2、Si-O N、Ta-O、或Al-Zr-O)、氮化物、或包含從鋁(Al)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鈷(Co)、鎳(Ni)、硅(Si)、鎂(Mg)、以及鐵(Fe)所組成的群當(dāng)中選擇的至少一個(gè)元素的氟化物所形成的絕緣體，以及諸如GaAlAs這種具有較大禁帶的半導(dǎo)體。即便是采用通過(guò)在絕緣體中形成各針孔、并將磁性層插入各針孔所得到的納米接觸MR材料或通過(guò)將Cu插入各針孔所形成的CCP-CPP(電流與平面垂直)-MR(磁阻效應(yīng))材料，也可以得到較大的再生輸出。從信號(hào)再生的觀點(diǎn)來(lái)考慮，隧道勢(shì)壘層TB最好是具有例如0.2nm至2nm厚度。當(dāng)采用后者納米接觸MR或CCP-CPP-MR時(shí)，隧道勢(shì)壘層TB其厚度最好是落在0.4nm至40nm范圍內(nèi)。
(e)絕緣層IN可以隨磁性電極A和磁性層C之間的磁耦合將磁性絕緣層或非磁性絕緣層用作絕緣層IN。
圖8中所示的直接交換耦合方式中，使用的是磁性絕緣層。作為磁性絕緣層，可以使用諸如MnFe2O4這種尖晶石鐵氧體或六角晶系鐵氧體所代表的包含F(xiàn)e、Co、Ni、Mn、V、以及Cr其中之一的氧化物磁性材料，或包含F(xiàn)e、Co、Ni、Mn、V、以及Cr其中之一的氮化物磁性材料或氟化物磁性材料。
圖9中所示的層間交換耦合方式中，使用的是由非磁性氧化物(例如氧化鋁(Al2O3-X)、氧化鎂(MgO)、SiO2、Si-O-N、Ti-O、Ta-O、或Al-Zr-O)、氮化物、或包含從鋁(Al)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鈷(Co)、鎳(Ni)、硅(Si)、鎂(Mg)、以及鐵(Fe)所組成的群當(dāng)中選擇的至少一個(gè)元素的氟化物所形成的單晶或多晶的非磁性絕緣體。也可以使用諸如GaAlAs這種具有較大禁帶的晶體半導(dǎo)體。
圖10中所示的靜磁耦合方式中，也可以使用如同前文所述的單晶和多晶材料、諸如MgO或Ti-O這種單晶和多晶的非磁性絕緣體，或由非磁性氧化物(例如氧化鋁(Al2O3-X)、氧化鎂(MgO)、SiO2、Si-O-N、Ta-O、或Al-Zr-O)、氮化物、或包含從鋁(Al)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鈷(Co)、鎳(Ni)、硅(Si)、鎂(Mg)、以及鐵(Fe)所組成的群當(dāng)中選擇的至少一個(gè)元素的氟化物所形成的非晶態(tài)絕緣體。也可以使用諸如GaAlAs這種具有較大禁帶的晶體半導(dǎo)體。
可以對(duì)在磁性電極A及B和磁性層C之間起到的層間交換相互作用增加靜磁耦合以提高耦合力。
圖11A至圖11C中所示的進(jìn)動(dòng)方式中，可以使用與靜磁耦合情形相同的絕緣體。
這里的絕緣體是形成勢(shì)壘以確保磁性電極A和磁性層C之間電絕緣的材料。當(dāng)絕緣層薄到1nm或以下時(shí)，絕緣體中所包含的氧、氮、或氟偏離理想配比組分，絕緣變差。在這種情況下，最好是使用確保絕緣不影響工作的材料。
(f)電極H、J、K、和L
電極H、J、K、和L其材料可以同與它們連接的磁性電極或磁性層的材料相同或不同。當(dāng)使用相同材料時(shí)，可以很容易形成各電極。如果使用不同材料，各電極最好是由具有低電阻的金屬材料所形成。各例是銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鋁(Al)、以及包含其中至少一種金屬的合金。
如上所述，按照第一實(shí)施例，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)磁開(kāi)關(guān)和信號(hào)處理而不會(huì)有任何干擾。因此，可以提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗驅(qū)動(dòng)同時(shí)減小尺寸的磁性元件。
第二實(shí)施例第二實(shí)施例中，將說(shuō)明一例類型1的自旋擴(kuò)散磁性元件。第二實(shí)施例中，依靠自旋擴(kuò)散效應(yīng)的電壓生成用作在磁性電極A和B之間獲得輸出信號(hào)的手段。
結(jié)構(gòu)圖16A至圖16D是表示本發(fā)明第二實(shí)施例的磁性元件的示意圖。下面將說(shuō)明本發(fā)明第二實(shí)施例的磁性元件的結(jié)構(gòu)。
如圖16A所示，第二實(shí)施例的磁性元件在很大程度上不同于第一實(shí)施例的磁性元件，其不同之處在于，金屬層用作溝道層O，并且電極I1和I2與該溝道層O連接。
具體來(lái)說(shuō)，磁性電極A和B設(shè)置為與由金屬所形成的溝道層O接觸。磁性電極A和B鄰接配置于與溝道層O相同的表面上但彼此不接觸。磁性層C設(shè)置于磁性電極A一側(cè)。非磁性或磁性絕緣層IN(中間層P)設(shè)置于磁性層C和磁性電極A之間。磁性層D設(shè)置于磁性層C其與磁性電極A相反的一側(cè)。由金屬或絕緣體所形成的中間層R設(shè)置于磁性層C和D之間。電極H、J、K、和L分別與磁性電極A和B和磁性層C和D連接。電極I1和I2與該溝道層O連接。
通過(guò)使用電極H和I1在磁性電極A和溝道層O之間提供電流(信號(hào)X1)。通過(guò)使用電極J和I2從元件當(dāng)中提取磁性電極B和溝道層O之間所產(chǎn)生的輸出電壓(信號(hào)X2)。通過(guò)使用電極K和L提供控制磁性層C磁化方向的信號(hào)Y。
第二實(shí)施例的磁性元件并不局限于圖16A所示的結(jié)構(gòu)，可以多樣化地改變?yōu)槔缦旅嬲f(shuō)明的圖16B至圖16D中所示的各結(jié)構(gòu)。圖16A至圖16D中所示的各結(jié)構(gòu)可以組合。
如圖16B所示，磁性電極B的磁化可以反轉(zhuǎn)。在這種情況下，磁性層C’設(shè)置于磁性電極B上面。絕緣層IN’(中間層P’)設(shè)置于磁性層C’和磁性電極B之間。磁性層D’設(shè)置于磁性層C’其與磁性電極B相反的一側(cè)。中間層R’設(shè)置于磁性層C’和D’之間。電極K’和L’分別與磁性層C’和D’連接。用電極K’和L’提供信號(hào)Y’以控制磁性層C’的磁化方向。
如圖16C所示，單個(gè)電極I可以與溝道層O連接。在這種情況下，通常用電極I在電極H和I之間提供信號(hào)X1，并在電極J和I之間提供信號(hào)X2。
如圖16D所示，反強(qiáng)磁性層S和S’可以設(shè)置為分別與磁性層D和D’接觸以固定其磁化。電極L可設(shè)置于磁性層D上或者反強(qiáng)磁性層S上。電極L’可設(shè)置于磁性層D’上或反強(qiáng)磁性層S’上。當(dāng)設(shè)置有反強(qiáng)磁性層S和S’時(shí)，所賦予的是單一方向的磁各向異性從而使磁化固定。也可以通過(guò)使用具有大磁晶各向異性的材料但不形成反強(qiáng)磁性層S和S’來(lái)固定磁化。
工作原理下面將說(shuō)明本發(fā)明第二實(shí)施例的磁性元件的工作原理。這里說(shuō)明圖16A中所示的結(jié)構(gòu)的工作原理。
第一，在電極K和L之間輸入信號(hào)Y以控制磁性層C的磁化。作為控制磁性層C磁化的方式，可以采用上述自旋注入磁化反轉(zhuǎn)方式(圖13)或電壓控制磁性方式(圖14)。具體來(lái)說(shuō)，依靠下面所要說(shuō)明的不同機(jī)理來(lái)控制磁性層C相對(duì)于磁性層D的磁化方向。
自旋注入磁化反轉(zhuǎn)方式中，將導(dǎo)電材料和最好是具有低電阻的金屬用于中間層R。由磁性層C和D之間所提供的電流的方向控制磁性層C的磁化方向。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)自旋極化電子從磁性層D注入到磁性層C時(shí)，磁性層C的磁化方向與磁性層D的磁化方向平行。當(dāng)自旋極化電子從磁性層C注入到磁性層D時(shí)，磁性層C的磁化方向與磁性層D的磁化方向反向平行。
電壓控制磁性方式中，將包含絕緣層和金屬層的分層膜用作中間層R。所利用的現(xiàn)象其中由電極L和K之間加上的電壓改變磁性層D和C間的磁耦合。
第二，如上所述依靠磁性電極A和磁性層C之間通過(guò)絕緣層IN的磁耦合(依靠圖8至圖11C中所示的磁耦合方式)，將其磁化方向由信號(hào)Y控制的磁性層C的磁化信息傳送給磁性電極A。由于絕緣層IN設(shè)置于磁性層C和磁性電極A之間，因而僅有磁化信息可以傳送，沒(méi)有任何電信號(hào)干擾。
第三，在電極H和I1之間提供驅(qū)動(dòng)電流(信號(hào)X1)以產(chǎn)生自旋擴(kuò)散效應(yīng)。輸出的是隨磁性電極A和B的磁化配置變化的、電極J和I2之間的電壓(信號(hào)X2)。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)提供例如1mA驅(qū)動(dòng)電流所產(chǎn)生的自旋極化電子累積于金屬溝道層O中。所累積的自旋極化電子有助于磁性電極B的磁化。磁性電極B和金屬溝道層O間的化學(xué)勢(shì)變化。隨磁性電極A和B的磁化配置呈平行還是反向平行狀態(tài)，磁性電極B和金屬溝道層O之間的輸出電壓變化為例如+30μV和-30μV的雙極值、或例如+12μV和+3μV的不同值。
要素下面將具體說(shuō)明各元件的組成要素(主要材料)。下面省略其說(shuō)明的元件其各層與上面說(shuō)明的第一實(shí)施例情形相同。
(a)溝道層O最好是將具有高導(dǎo)電性的金屬層用作第二實(shí)施例的溝道層O。具體來(lái)說(shuō)，各例是銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鋁(Al)、以及包含其中至少之一的合金。與溝道層O接觸的磁性電極A和B之間的距離最好是短于金屬中的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度。
(b)電極I1和I2電極I1和I2其材料可以同與它們連接的溝道層O的材料相同或不同。當(dāng)使用相同材料時(shí)，可以很容易形成各電極。如果使用不同材料，各電極最好是由具有低電阻的金屬材料所形成。各例是銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鋁(Al)、以及包含其中至少之一的合金。
如上所述，按照本發(fā)明第二實(shí)施例，可以得到與第一實(shí)施例情形相同的效果。
第三實(shí)施例第三實(shí)施例中，與第二實(shí)施例情形同樣將說(shuō)明一例類型1的自旋擴(kuò)散磁性元件。第三實(shí)施例中設(shè)置有化合物層。
結(jié)構(gòu)圖17A至圖17D是表示本發(fā)明第三實(shí)施例的磁性元件的示意圖。下面將說(shuō)明本發(fā)明第三實(shí)施例的磁性元件的結(jié)構(gòu)。
如圖17A所示，第三實(shí)施例的磁性元件在很大程度上不同于第二實(shí)施例的磁性元件，其不同之處在于，有一化合物層Q設(shè)置于溝道層O和磁性電極A及B之間。
具體來(lái)說(shuō)，包含氧、氮、以及氟其中至少之一的化合物層Q設(shè)置為與由金屬所形成的溝道層O接觸。磁性電極A和B設(shè)置為與化合物層Q接觸。磁性電極A和B鄰接配置于化合物層Q的相同表面上但彼此不接觸。磁性層C設(shè)置于磁性電極A一側(cè)。非磁性或磁性絕緣層IN(中間層P)設(shè)置于磁性層C和磁性電極A之間。磁性層D設(shè)置于磁性層C其與磁性電極A相反的一側(cè)。由金屬或絕緣體所形成的中間層R設(shè)置于磁性層C和D之間。電極H、J、K、和L分別與磁性電極A和B和磁性層C和D連接。電極I1和I2與該溝道層O連接。
通過(guò)使用電極H和I1在磁性電極A和溝道層O之間提供電流(信號(hào)X1)。通過(guò)使用電極J和I2從元件當(dāng)中提取磁性電極B和溝道層O之間所產(chǎn)生的輸出電壓(信號(hào)X2)。通過(guò)使用電極K和L提供控制磁性層C磁化方向的信號(hào)Y。
第三實(shí)施例的磁性元件并不局限于圖17A所示的結(jié)構(gòu)，可以多樣化地改變?yōu)槔缦旅嬲f(shuō)明的圖17B至圖17D中所示的各結(jié)構(gòu)。圖17A至圖17D中所示的各結(jié)構(gòu)可以組合。
如圖17B所示，磁性電極B的磁化可以反轉(zhuǎn)。在這種情況下，磁性層C’設(shè)置于磁性電極B上面。絕緣層IN’(中間層P’)設(shè)置于磁性層C’和磁性電極B之間。磁性層D’設(shè)置于磁性層C’其與磁性電極B相反的一側(cè)。中間層R’設(shè)置于磁性層C’和D’之間。電極K’和L’分別與磁性層C’和D’連接。用電極K’和L’提供信號(hào)Y’以控制磁性層C’的磁化方向。
如圖17C所示，單個(gè)電極I可以與溝道層O連接。在這種情況下，通常用電極I在電極H和I之間提供信號(hào)X1，并在電極J和I之間提供信號(hào)X2?？梢詢H在磁性電極B和溝道層O之間設(shè)置化合物層Q。當(dāng)化合物層Q僅是插入于輸出側(cè)時(shí)，可使輸出電壓較高但不增加功耗。
如圖17D所示，反強(qiáng)磁性層S和S’可以設(shè)置為分別與磁性層D和D’接觸以固定其磁化。電極L可設(shè)置于磁性層D上或者反強(qiáng)磁性層S上。電極L’可設(shè)置于磁性層D’上或反強(qiáng)磁性層S’上。當(dāng)設(shè)置有反強(qiáng)磁性層S和S’時(shí)，所賦予的是單一方向的磁各向異性從而使磁化固定。也可以通過(guò)使用具有大磁晶各向異性的材料但不形成反強(qiáng)磁性層S和S’來(lái)固定磁化。
工作原理本發(fā)明第三實(shí)施例的磁性元件的工作原理與第二實(shí)施例情形相同，下面省略其說(shuō)明。
要素下面將具體說(shuō)明各元件的組成要素(主要材料)。下面省略其說(shuō)明的元件其各層與上面說(shuō)明的第一和第二實(shí)施例情形相同。
(a)化合物層Q至于化合物層Q，可使用包含氧化物(例如氧化鋁(Al2O3-X)、氧化鎂(MgO)、SiO2、Si-O-N、Ta-O、或Al-Zr-O)、氮化物、或氟化物的材料，其中該氟化物包含從鋁(Al)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鈷(Co)、鎳(Ni)、硅(Si)、鎂(Mg)、以及鐵(Fe)所組成的群當(dāng)中選擇的至少一種元素。
如上所述，按照本發(fā)明第三實(shí)施例，可以得到與第二實(shí)施例情形相同的效果。另外，當(dāng)設(shè)置有化合物層Q時(shí)，可以使輸出電壓較高。
第四實(shí)施例第四實(shí)施例中，將說(shuō)明一例類型1的柵極驅(qū)動(dòng)磁性元件。
結(jié)構(gòu)圖18A至圖18D是表示本發(fā)明第四實(shí)施例的磁性元件的示意圖。下面將說(shuō)明本發(fā)明第四實(shí)施例的磁性元件的結(jié)構(gòu)。
如圖18A所示，第四實(shí)施例的磁性元件在很大程度上不同于第一實(shí)施例的磁性元件，其不同之處在于，將一半導(dǎo)體層用作溝道層O，并且將柵極電極G設(shè)置于溝道層O上面。
具體來(lái)說(shuō)，柵極電極G在與溝道層O絕緣的同時(shí)設(shè)置于由半導(dǎo)體所形成的溝道層O上面。分別起源極和漏極作用的磁性電極A和B設(shè)置于柵極電極G兩側(cè)。磁性電極A和B配置為與溝道層O接觸，并在溝道層O的相同表面上相鄰但彼此不接觸。磁性層C設(shè)置于磁性電極A一側(cè)。非磁性或磁性絕緣層IN(中間層P)設(shè)置于磁性層C和磁性電極A之間。磁性層D設(shè)置于磁性層C其與磁性電極A相反的一側(cè)。由金屬或絕緣體所形成的中間層R設(shè)置于磁性層C和D之間。電極H、J、K、和L分別與磁性電極A和B和磁性層C和D連接。
有一電壓加到柵極電極G上以使溝道開(kāi)放，并且通過(guò)使用電極H和J來(lái)輸出隨磁性電極A和B的磁化配置變化的信號(hào)X。通過(guò)使用電極K和L來(lái)提供控制磁性層C磁化方向的信號(hào)Y。
第四實(shí)施例的磁性元件并不局限于圖18A所示的結(jié)構(gòu)，并可以多樣化地改變?yōu)槔缦旅嬲f(shuō)明的圖18B至圖18D中所示的各結(jié)構(gòu)。圖18A至圖18D中所示的各結(jié)構(gòu)可以組合。
如圖18B所示，磁性電極B的磁化可以反轉(zhuǎn)。在這種情況下，磁性層C’設(shè)置于磁性電極B上面。絕緣層IN’(中間層P’)設(shè)置于磁性層C’和磁性電極B之間。磁性層D’設(shè)置于磁性層C’其與磁性電極B相反的一側(cè)。中間層R’設(shè)置于磁性層C’和D’之間。電極K’和L’分別與磁性層C’和D’連接。使用電極K’和L’提供信號(hào)Y’以控制磁性層C’的磁化方向。
如圖18C所示，溝道層O可以在絕緣體Oa中具有導(dǎo)電島狀部分Ob。導(dǎo)電島狀部分Ob由半導(dǎo)體或金屬形成。此元件是單電子晶體管。
如圖18D所示，磁性電極B的磁化可以反轉(zhuǎn)，并且各層可以在一個(gè)方向(Y方向)上層疊。在這種情況下，磁性層C’設(shè)置于磁性電極B下面。絕緣層IN’(中間層P’)設(shè)置于磁性層C’和磁性電極B之間。磁性層D’設(shè)置于磁性層C’其與磁性電極B相反的一側(cè)。中間層R’設(shè)置于磁性層C’和D’之間。電極K’和L’分別與磁性層C’和D’連接。用電極K’和L’提供信號(hào)Y’以控制磁性層C’的磁化方向。兩個(gè)柵極電極G和G’可以設(shè)置于溝道層O上面。
工作原理下面將說(shuō)明本發(fā)明第四實(shí)施例的磁性元件的工作原理。這里說(shuō)明圖18A中所示的結(jié)構(gòu)的工作原理。本實(shí)施例中可以使用兩個(gè)輸入系統(tǒng)，即至柵極電極G的輸入和在電極L和K之間的輸入。
第一，在電極K和L之間輸入信號(hào)Y以控制磁性層C的磁化。作為控制磁性層C磁化的方式，可以采用上述自旋注入磁化反轉(zhuǎn)方式(圖13)或電壓控制磁性方式(圖14)。具體來(lái)說(shuō)，依靠下面所要說(shuō)明的不同機(jī)理來(lái)控制磁性層C相對(duì)于磁性層D的磁化方向。
自旋注入磁化反轉(zhuǎn)方式中，將導(dǎo)電材料和最好是具有低電阻的金屬用于中間層R。由磁性層C和D之間所提供的電流的方向控制磁性層C的磁化方向。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)自旋極化電子從磁性層D注入到磁性層C時(shí)，磁性層C的磁化方向與磁性層D的磁化方向平行。當(dāng)自旋極化電子從磁性層C注入到磁性層D時(shí)，磁性層C的磁化方向與磁性層D的磁化方向反向平行。
電壓控制磁性方式中，將包含絕緣層和金屬層的分層膜用作中間層R。所利用的現(xiàn)象其中由電極L和K之間加上的電壓改變磁性層D和C間的磁耦合。
第二，如上所述依靠磁性電極A和磁性層C之間通過(guò)絕緣層IN的磁耦合(依靠圖8至圖11C中所示的磁耦合方式)，將其磁化方向由信號(hào)Y控制的磁性層C的磁化信息傳送給磁性電極A。由于絕緣層IN設(shè)置于磁性層C和磁性電極A之間，因而僅有磁化信息可以傳送，沒(méi)有任何電信號(hào)干擾。
第三，在柵極電壓驅(qū)動(dòng)中，如常規(guī)FET情形那樣對(duì)柵極電極G加上預(yù)定電壓以使溝道開(kāi)放。通過(guò)使用電極H和J來(lái)輸出磁性電極A和B之間所流的電流(信號(hào)X)。該電流其數(shù)值隨磁性電極A和B的磁化配置而改變。
要素下面將具體說(shuō)明元件的組成要素(主要材料)。下面省略其說(shuō)明的元件其各層與上面說(shuō)明的第一實(shí)施例情形相同。
(a)溝道層O(為第四和第八實(shí)施例共同的部分)將諸如硅(Si)這種常規(guī)半導(dǎo)體用作溝道層O的材料。
例如圖18C所示的結(jié)構(gòu)中，作為溝道層O的材料，采用由絕緣體Oa所圍繞的導(dǎo)電島狀部分Ob。
(b)柵極電極G可將導(dǎo)電材料用于柵極電極G。可使用多晶硅或諸如鎳硅化物這種金屬硅化物。
如上所述，按照本發(fā)明第四實(shí)施例，可以獲得與第一實(shí)施例情形相同的效果。
第五實(shí)施例第五實(shí)施例中，將說(shuō)明一例類型2的TMR磁性元件。
結(jié)構(gòu)圖19A至圖19E是表示本發(fā)明第五實(shí)施例的磁性元件的示意圖。下面將說(shuō)明本發(fā)明第五實(shí)施例的磁性元件的結(jié)構(gòu)。
如圖19A所示，第五實(shí)施例的磁性元件在很大程度上不同于第一實(shí)施例的磁性元件，其不同之處在于，省略圖15A中所示的磁性層D和中間層R，使磁性層C的磁化方向固定，并且中間層P由非磁性層NM形成。
具體來(lái)說(shuō)，設(shè)置有磁性電極A和B夾住起到溝道層O作用的隧道勢(shì)壘層TB。磁性電極A和B配置于隧道勢(shì)壘層TB的不同表面上但彼此不接觸。磁性層C設(shè)置于磁性電極A一側(cè)。非磁性層NM(中間層P)設(shè)置于磁性層C和磁性電極A之間。電極H、J、和K分別與磁性電極A和B以及磁性層C連接。
通過(guò)使用電極H和J來(lái)輸出隨磁性電極A和B的磁化配置變化的信號(hào)X。通過(guò)使用電極K和L來(lái)提供控制磁性電極A磁化方向的信號(hào)Z。
第五實(shí)施例的磁性元件并不局限于圖19A所示的結(jié)構(gòu)，并可以多樣化地改變?yōu)槔缦旅嬲f(shuō)明的圖19B至圖19E中所示的各結(jié)構(gòu)。圖19A至圖19E中所示的各結(jié)構(gòu)可以組合。
如圖19B所示，磁性電極B的磁化可以反轉(zhuǎn)。在這種情況下，磁性層C’設(shè)置于磁性電極B一側(cè)。非磁性層NM’(中間層P’)設(shè)置于磁性層C’和磁性電極B之間。電極K’與磁性層C’連接。用電極K’和J提供信號(hào)Z’以控制磁性電極B的磁化方向。
如圖19C所示，反強(qiáng)磁性層S和S’可以設(shè)置為分別與磁性電極B和磁性層C接觸以固定其磁化。電極K可以設(shè)置于磁性層C上或者反強(qiáng)磁性層S上。電極J可以設(shè)置于磁性電極B上或者反強(qiáng)磁性層S’上。當(dāng)設(shè)置有反強(qiáng)磁性層S和S’時(shí)，所賦予的是單一方向的磁各向異性從而使磁化固定。也可以通過(guò)使用具有大磁晶各向異性的材料但不形成反強(qiáng)磁性層S和S’來(lái)固定磁化。
如圖19D所示，磁性電極B和隧道勢(shì)壘層TB可以相對(duì)于在Y方向上層疊的磁性電極A、非磁性層NM、以及磁性層C按一角度在X方向上堆疊。
如圖19E所示，磁性電極B的磁化在圖19D所示的結(jié)構(gòu)中可以反轉(zhuǎn)。在這種情況下，磁性層C’設(shè)置于磁性電極B上面。非磁性層NM’(中間層P’)設(shè)置于磁性層C’和磁性電極B之間。電極K’與磁性層C’連接。用電極K’和J提供信號(hào)Z’以控制磁性電極B的磁化方向。
工作原理下面將說(shuō)明本發(fā)明第五實(shí)施例的磁性元件的工作原理。這里說(shuō)明圖19A中所示的結(jié)構(gòu)的工作原理。
第一，將電壓(信號(hào)Z)加于電極H和K之間。磁性電極A的磁化方向通過(guò)利用其中磁性電極A和磁性層C之間的磁耦合由電壓改變這種現(xiàn)象來(lái)控制。
第二，將電壓或電流加于電極H和J之間，并且輸出隨磁性電極A和B的磁化配置變化的隧道電流或電壓(信號(hào)X)。
要素下面將說(shuō)明磁性元件的組成要素(主要材料)。下面省略其說(shuō)明的元件其各層與上面說(shuō)明的第一實(shí)施例情形相同。
(a)非磁性層NM非磁性層NM由非磁性絕緣層或包含非磁性絕緣層和非磁性金屬層的分層膜所形成。
非磁性絕緣層的各例材料是由氧化物(例如氧化鋁(Al2O3-X)、氧化鎂(MgO)、SiO2、Si-O-N、Ta-O、或Al-Zr-O)、氮化物、或氟化物所形成的絕緣體，其中該氟化物包含從鋁(Al)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鈷(Co)、鎳(Ni)、硅(Si)、鎂(Mg)、以及鐵(Fe)所組成的群當(dāng)中選擇的至少一種元素，以及諸如GaAlAs這種具有較大禁帶的半導(dǎo)體。
非磁性金屬層的各例材料是銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鋁(Al)、鉻(Cr)、釩(V)、釕(Ru)、銥(Ir)、銠(Rh)、錸(Re)、鋨(Os)、以及包含其中至少之一的合金。
可以由例如MgO+Au、MgO+Ag、或MgO+Cr獲得非磁性絕緣層和非磁性金屬層的組合。但本發(fā)明并不局限于上述組合，也可以獲得上述材料。
如上所述，按照本發(fā)明第五實(shí)施例，可獲得與第一實(shí)施例情形相同的效果。類型2的第五實(shí)施例中，與類型1的第一實(shí)施例相比該元件具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，并且可很容易制造。
第六實(shí)施例第六實(shí)施例中，將說(shuō)明一例類型2的自旋擴(kuò)散磁性元件。第六實(shí)施例中，依靠自旋擴(kuò)散效應(yīng)的電壓生成用作用于在磁性電極A和B之間獲得輸出信號(hào)的手段。
結(jié)構(gòu)圖20A至圖20C是表示本發(fā)明第六實(shí)施例的磁性元件的示意圖。下面將說(shuō)明本發(fā)明第六實(shí)施例的磁性元件的結(jié)構(gòu)。
如圖20A所示，第六實(shí)施例的磁性元件在很大程度上不同于第五實(shí)施例的磁性元件，其不同之處在于，將金屬層用作溝道層O，并且電極I1和I2與溝道層O連接。
具體來(lái)說(shuō)，磁性電極A和B設(shè)置為與由金屬所形成的溝道層O接觸。磁性電極A和B鄰接配置于溝道層O的相同表面上但彼此不接觸。磁性層C設(shè)置于磁性電極A一側(cè)。非磁性層NM(中間層P)設(shè)置于磁性層C和磁性電極A之間。電極H、J、和K分別與磁性電極A和B以及磁性層C連接。電極I1和I2與溝道層O連接。
通過(guò)使用電極H和I1在磁性電極A和溝道層O之間提供電流(信號(hào)X1)。通過(guò)使用電極J和I2從元件當(dāng)中提取在磁性電極B和溝道層O之間所產(chǎn)生的輸出電壓(信號(hào)X2)。通過(guò)使用電極K和H提供控制磁性電極A磁化方向的信號(hào)Z。
第六實(shí)施例的磁性元件并不局限于圖20A所示的結(jié)構(gòu)，并可以多樣化地改變?yōu)槔缦旅嬲f(shuō)明的圖20B至圖20C中所示的各結(jié)構(gòu)。圖20A至圖20C中所示的各結(jié)構(gòu)可以組合。
如圖20B所示，磁性電極B的磁化可以反轉(zhuǎn)。在這種情況下，磁性層C’設(shè)置于磁性電極B上面。非磁性層NM’(中間層P’)設(shè)置于磁性層C’和磁性電極B之間。電極K’與磁性層C’連接。用電極K’和J提供信號(hào)Z’以控制磁性電極B的磁化方向。
如圖20C所示，單個(gè)電極I可以與溝道層O連接。在這種情況下，通常用電極I在電極H和I之間提供信號(hào)X1，并在電極J和I之間提供信號(hào)X2。
工作原理下面將說(shuō)明本發(fā)明第六實(shí)施例的磁性元件的工作原理。這里說(shuō)明圖20A中所示的結(jié)構(gòu)的工作原理。
第一，在電極H和I1之間提供驅(qū)動(dòng)電流(信號(hào)X1)以產(chǎn)生自旋擴(kuò)散效應(yīng)。輸出隨磁性電極A和B的磁化配置變化的、在電極J和I2之間的電壓(信號(hào)X2)。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)提供例如1mA的驅(qū)動(dòng)電流所產(chǎn)生的自旋極化電子累積于金屬溝道層O中。所累積的自旋極化電子有助于磁性電極B的磁化。磁性電極B和金屬溝道層O之間的化學(xué)勢(shì)變化。隨磁性電極A和B的磁化配置呈平行還是反向平行狀態(tài)，磁性電極B和金屬溝道層O之間的輸出電壓變化為例如+30μV和-30μV的雙極值或-12μV或-26μV。
第二，將電壓(信號(hào)Z)加于電極H和K之間。磁性電極A的磁化方向通過(guò)利用其中磁性電極A和磁性層C之間的磁耦合由電壓改變這種現(xiàn)象來(lái)控制。
要素第六實(shí)施例的磁性元件的組成要素(主要材料)與上述第一和第二實(shí)施例情形相同，將省略其說(shuō)明。
制造方法接下來(lái)參照?qǐng)D20D說(shuō)明一例第六實(shí)施例磁性元件的制造方法。
第一，通過(guò)使用超高真空濺射裝置將起到電極K和K’作用的金屬層、起到反強(qiáng)磁性層S和S’作用的PtMn層、起到磁性層C和C’作用的FeCo層(4nm)、起到非磁性層(絕緣層+金屬層)NM作用的Cr(0.4nm)/MgO(0.8nm)層、起到磁性電極A和B作用的CoFeNoB非晶態(tài)合金層(2nm)、以及金屬溝道層O依次淀積于基底(未圖示)上。從超高真空濺射裝置當(dāng)中取出該分層膜。
在270℃下進(jìn)行5小時(shí)磁化退火以便將單一方向的磁各向異性引入FeCo層。當(dāng)加上EB(電子束)抗蝕劑并進(jìn)行EB暴露時(shí)，形成與下電極形狀一致的掩模。然后，通過(guò)離子蝕刻處理該膜。
接下來(lái)，掩埋SiO2膜，并使得表面平整。通過(guò)再次用EB光刻技術(shù)和離子蝕刻來(lái)處理金屬溝道層O至磁性層C及C’的結(jié)構(gòu)。利用此處理，磁性電極A和B的尺寸設(shè)定為30nm×30nm。磁性電極A和B之間的距離設(shè)定為30nm。再次掩埋SiO2膜，并且進(jìn)行表面平面和表面暴露。
再次將晶片放入超高真空濺射裝置。將金屬溝道材料很薄地淀積于表面上之后，溝道層O處理為預(yù)定形狀。最后，形成電極H和J、磁性電極A和B、以及電極I。
如上所述，按照本發(fā)明第六實(shí)施例，可以獲得與第五實(shí)施例情形相同的效果。
第七實(shí)施例第七實(shí)施例中，與第六實(shí)施例情形同樣將說(shuō)明一例類型2的自旋擴(kuò)散磁性元件。第七實(shí)施例中設(shè)置有化合物層。
結(jié)構(gòu)圖21A至圖21E是表示本發(fā)明第七實(shí)施例的磁性元件的示意圖。下面將說(shuō)明本發(fā)明第七實(shí)施例的磁性元件的結(jié)構(gòu)。
如圖21A所示，第七實(shí)施例的磁性元件在很大程度上不同于第六實(shí)施例的磁性元件，其不同之處在于，有一化合物層Q設(shè)置于溝道層O和磁性電極A及B之間。
具體來(lái)說(shuō)，該化合物層Q設(shè)置為與由金屬所形成的溝道層O接觸。磁性電極A和B設(shè)置為與該化合物層Q接觸。磁性電極A和B鄰接配置于該化合物層Q的相同表面上但彼此不接觸。磁性層C設(shè)置于磁性電極A一側(cè)。非磁性層NM(中間層P)設(shè)置于磁性層C和磁性電極A之間。電極H、J、和K分別與磁性電極A和B以及磁性層C連接。電極I1和I2與溝道層O連接。
通過(guò)使用電極H和I1在磁性電極A和溝道層O之間提供電流(信號(hào)X1)。通過(guò)使用電極J和I2從元件當(dāng)中提取磁性電極B和溝道層O之間所產(chǎn)生的輸出電壓(信號(hào)X2)。通過(guò)使用電極K和H提供控制磁性電極A磁化方向的信號(hào)Z。
第七實(shí)施例的磁性元件并不局限于圖21A所示的結(jié)構(gòu)，可以多樣化地改變?yōu)槔缦旅嬲f(shuō)明的圖21B至圖21E中所示的各結(jié)構(gòu)。圖21A至圖21E中所示的各結(jié)構(gòu)可以組合。
如圖21B所示，磁性電極B的磁化可以反轉(zhuǎn)。在這種情況下，磁性層C’設(shè)置于磁性電極B上面。非磁性層NM’(中間層P’)設(shè)置于磁性層C’和磁性電極B之間。電極K’與磁性層C’連接。用電極K’和J提供信號(hào)Z’以控制磁性電極B的磁化方向。
如圖21C所示，單個(gè)電極I可以與溝道層O連接。在這種情況下，通常用電極I在電極H和I之間提供信號(hào)X1，并在電極J和I之間提供信號(hào)X2?？梢詢H在磁性電極B和溝道層O之間設(shè)置化合物層Q。當(dāng)化合物層Q僅是插入于輸出側(cè)時(shí)，可使輸出電壓較高但不增加功耗。
如圖21D所示，反強(qiáng)磁性層S和S’可以設(shè)置為分別與磁性層C和C’接觸以固定其磁化。電極K可設(shè)置于磁性層C上或者反強(qiáng)磁性層S上。電極K’可設(shè)置于磁性層C’上或者反強(qiáng)磁性層S’上。當(dāng)設(shè)置有反強(qiáng)磁性層S和S’時(shí)，所賦予的是單一方向的磁各向異性從而使磁化固定。也可以通過(guò)使用具有大磁晶各向異性的材料但不形成反強(qiáng)磁性層S和S’來(lái)固定磁化。
如圖21E所示，磁性電極B的磁化可以反轉(zhuǎn)，并且各層可以在一個(gè)方向(Y方向)上層疊。在這種情況下，磁性層C’設(shè)置于磁性電極B下面。非磁性層NM’(中間層P’)設(shè)置于磁性層C’和磁性電極B之間。電極K’與磁性層C’連接。用電極K’和J提供信號(hào)Z’以控制磁性電極B的磁化方向。
工作原理本發(fā)明第七實(shí)施例的磁性元件其工作原理與第六實(shí)施例情形相同，故省略其說(shuō)明。
要素第七實(shí)施例磁性元件的組成要素(主要材料)與上述第一至第三實(shí)施例情形相同，故省略其說(shuō)明。
如上所述，按照本發(fā)明第七實(shí)施例，可以獲得與第五實(shí)施例情形相同的效果。
第八實(shí)施例第八實(shí)施例中，將說(shuō)明一例類型2的柵極驅(qū)動(dòng)磁性元件。
結(jié)構(gòu)圖22A至圖22D是表示本發(fā)明第八實(shí)施例的磁性元件的示意圖。下面將說(shuō)明本發(fā)明第八實(shí)施例的磁性元件的結(jié)構(gòu)。
如圖22A所示，第八實(shí)施例的磁性元件在很大程度上不同于第五實(shí)施例的磁性元件，其不同之處在于，有一半導(dǎo)體層用作溝道層O，并且有一柵極電極G設(shè)置于溝道層O上面。
具體來(lái)說(shuō)，柵極電極G在與溝道層0絕緣的同時(shí)設(shè)置于由半導(dǎo)體所形成的溝道層O上面。分別起源極和漏極作用的磁性電極A和B設(shè)置于柵極電極G兩側(cè)。磁性電極A和B配置為與溝道層O接觸，并在溝道層O的相同表面上相鄰但彼此不接觸。磁性層C設(shè)置于磁性電極A一側(cè)。非磁性層NM(中間層P)設(shè)置于磁性層C和磁性電極A之間。電極H、J、和K分別與磁性電極A和B以及磁性層C連接。
通過(guò)使用柵極電極G以及電極H和J來(lái)輸出隨磁性電極A和B的磁化配置變化的信號(hào)X。通過(guò)使用電極K和H來(lái)提供控制磁性電極A磁化方向的信號(hào)Z。
第八實(shí)施例的磁性元件并不局限于圖22A所示的結(jié)構(gòu)，并可以多樣化地改變?yōu)槔缦旅嬲f(shuō)明的圖22B至圖22D中所示的各結(jié)構(gòu)。圖22A至圖22D中所示的各結(jié)構(gòu)可以組合。
如圖22B所示，磁性電極B的磁化可以反轉(zhuǎn)。在這種情況下，磁性層C’設(shè)置于磁性電極B上面。非磁性層NM’(中間層P’)設(shè)置于磁性層C’和磁性電極B之間。電極K’與磁性層C’連接。用電極K’和J提供信號(hào)Z’以控制磁性電極B的磁化方向。
如圖22C所示，溝道層O可以在絕緣體Oa中具有導(dǎo)電島狀部分Ob。導(dǎo)電島狀部分Ob由半導(dǎo)體或金屬形成。此元件是單電子晶體管。
如圖22D所示，磁性電極B的磁化可以反轉(zhuǎn)，并且各層可以在一個(gè)方向(Y方向)上層疊。在這種情況下，磁性層C’設(shè)置于磁性電極B下面。非磁性層NM’(中間層P’)設(shè)置于磁性層C’和磁性電極B之間。電極K’與磁性層C’連接。用電極K’和J提供信號(hào)Z’以控制磁性電極B的磁化方向。兩個(gè)柵極電極G和G’可以設(shè)置于溝道層O上面。
圖23A至圖23D是表示本發(fā)明第八實(shí)施例的柵極驅(qū)動(dòng)(自旋MOSFET)磁性元件的布局圖。圖24A至圖24C是表示本發(fā)明第八實(shí)施例的柵極驅(qū)動(dòng)(自旋SET)磁性元件的布局圖。圖25A至圖25C是表示本發(fā)明第八實(shí)施例的柵極驅(qū)動(dòng)(自旋共振隧道晶體管)磁性元件的布局圖。下面將說(shuō)明本發(fā)明第八實(shí)施例的磁性元件的布局?？烧J(rèn)為布局圖是磁性元件的平面圖或剖面圖。
如圖23A至圖23D所示，將磁性電極A和磁性層C相連的軸幾乎垂直于將柵極電極G和溝道層O相連的軸(在垂直于圖面從遠(yuǎn)側(cè)至近側(cè)這一方向上)。利用此結(jié)構(gòu)，可以防止互連的空間干涉。另外，可以防止元件因磁性電極A以及電極K所流的電流和柵極電極G所加上的偏壓間的相互作用而造成的任何誤動(dòng)作。此外，可以防止磁性電極A的磁化受柵極電極G和溝道層O之間的絕緣膜(未圖示)變薄時(shí)所產(chǎn)生的漏電流的影響。
參照?qǐng)D24A至圖24C，溝道層O包含絕緣體Oa和該絕緣體Oa中設(shè)置的導(dǎo)電島狀部分Ob。將磁性電極A和磁性層C相連的軸幾乎垂直于將柵極電極G和溝道層O的導(dǎo)電島狀部分Ob相連的軸(在垂直于圖面從遠(yuǎn)側(cè)至近側(cè)這一方向上)。利用此結(jié)構(gòu)，如同圖23A至圖23D情形那樣，可以確保互連的引線區(qū)，并且可防止元件的任何誤動(dòng)作。
參照?qǐng)D25A至圖25C，溝道層O包含介于兩個(gè)絕緣層Oc之間的磁性電極Od。柵極電極G接觸磁性電極Od。將磁性電極A和磁性層C相連的軸幾乎垂直于將柵極電極G和溝道層O相連的軸(在垂直于圖面從遠(yuǎn)側(cè)至近側(cè)這一方向上)。利用此結(jié)構(gòu)，如同圖23A至圖23D情形那樣，可以確?；ミB的引線區(qū)，并且可防止元件的任何誤動(dòng)作。
工作原理下面將具體說(shuō)明本發(fā)明第八實(shí)施例的磁性元件的工作原理。這里說(shuō)明圖22A所示的結(jié)構(gòu)的工作原理。本實(shí)施例中可以使用兩個(gè)輸入系統(tǒng)，即至柵極電極G的輸入和在電極L和K之間的輸入。
第一，將電壓(信號(hào)Z)加于電極H和K之間。磁性電極A的磁化方向通過(guò)利用其中磁性電極A和磁性層C之間的磁耦合由電壓改變這種現(xiàn)象來(lái)控制。
第二，柵極電壓驅(qū)動(dòng)中，如同常規(guī)FET情形那樣，將預(yù)定電壓加到柵極電極G上來(lái)使溝道層O導(dǎo)通。通過(guò)使用電極H和J來(lái)輸出磁性電極A和B之間所流的電流(信號(hào)X)。該電流其數(shù)值隨磁性電極A和B的磁化配置而改變。
要素第八實(shí)施例磁性元件的組成要素(主要材料)與上述第一和第四實(shí)施例情形相同，故省略其說(shuō)明。
如上所述，按照本發(fā)明第八實(shí)施例，可以獲得與第五實(shí)施例情形相同的效果。
第九實(shí)施例第九實(shí)施例中，將說(shuō)明一例包括多個(gè)磁性元件在內(nèi)的用于運(yùn)算處理的磁性信號(hào)處理裝置。
圖26A(a)和圖26A(b)是本發(fā)明第九實(shí)施例具有多個(gè)TMR磁性元件的磁性信號(hào)處理裝置的示意圖。下面將說(shuō)明第九實(shí)施例具有多個(gè)TMR磁性元件的磁性信號(hào)處理裝置。
圖26A(a)和圖26A(b)所示的結(jié)構(gòu)中，使用圖15E所示的多個(gè)磁性元件G1、G2、和G3。來(lái)自磁性元件G2和G3的輸出信號(hào)XG2和XG3輸入至剩余的磁性元件G1。因此，多個(gè)磁性元件G1、G2、和G3可以按從屬方式連接。
具體來(lái)說(shuō)，將磁性元件G2基于磁性電極A和B之間磁化配置的信號(hào)XG2輸入至磁性元件G1的磁性層C。磁性元件G1的磁性層C的磁化方向由信號(hào)XG2控制。磁性層C的磁化信息依靠磁性電極A和磁性層C之間通過(guò)絕緣層IN的磁耦合傳送給磁性電極A，以便控制磁性元件G1的磁性電極A的磁化方向。
同樣，將磁性元件G3基于磁性電極A和B之間磁化配置的信號(hào)XG3輸入至磁性元件G1的磁性層C’。磁性元件G1的磁性層C’的磁化方向由信號(hào)XG3控制。磁性層C’的磁化信息依靠磁性電極B和磁性層C’之間通過(guò)絕緣層IN’的磁耦合傳送給磁性電極B，以便控制磁性元件G1的磁性電極B的磁化方向。
通過(guò)使用電極H和J將以上述方式控制的磁性電極A和B其磁化信息輸出作為輸出信號(hào)XG1。
與TMR輸出信號(hào)XG2和XG3等效的信號(hào)可以在第一磁性元件G2和G3的電極K和L之間或電極K’和L’之間直接輸入。使電極L和L’接地。不過(guò)也可以使電極K和K’接地。
圖26B(a)和圖26B(b)是本發(fā)明第九實(shí)施例具有多個(gè)自旋擴(kuò)散磁性元件的磁性信號(hào)處理裝置的示意圖。下面將說(shuō)明第九實(shí)施例具有多個(gè)自旋擴(kuò)散磁性元件的磁性信號(hào)處理裝置。
圖26B(a)和圖26B(b)所示的結(jié)構(gòu)中，使用圖17B所示的多個(gè)磁性元件G1和G2。將來(lái)自磁性元件G1的輸出信號(hào)XG1輸入至另一個(gè)磁性元件G2。因此，多個(gè)磁性元件G1和G2可以級(jí)聯(lián)。
具體來(lái)說(shuō)，將磁性元件G1的電極J和I2之間的輸出信號(hào)XG1輸入磁性元件G2的電極K’和L’之間。磁性元件G2的磁性層C的磁化方向由信號(hào)XG1控制。磁性層C的磁化信息依靠磁性電極B和磁性層C之間通過(guò)絕緣層IN’的磁耦合傳送給磁性電極B。將基于磁性電極A和B之間磁化配置的磁化信息輸出作為輸出信號(hào)XG2。
與輸出信號(hào)XG1等效的信號(hào)可以在第一磁性元件G1的電極K和L之間或電極K’和L’之間直接輸入。
如圖27所示，輸入磁性層C’的輸入信號(hào)并不局限于另一磁性元件輸出的輸出信號(hào)?？梢栽跊](méi)有其它磁性元件介入的情況下輸入信號(hào)(例如運(yùn)算重寫(xiě)用的電流或電壓)。多個(gè)磁性元件連接的方式并不局限于圖26A(a)和圖26A(b)以及圖26B(a)和圖26B(b)所示的各例，也可以進(jìn)行種種變化和修改。
如上所述，按照本發(fā)明的第九實(shí)施例，可以獲得與第一實(shí)施例情形相同的效果。此外，可以提供基于自旋組合的運(yùn)算器件，該運(yùn)算器件可以很容易實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)，并且在進(jìn)行磁開(kāi)關(guān)的同時(shí)輸出信號(hào)。
第十實(shí)施例第十實(shí)施例中，將說(shuō)明通過(guò)使用TMR磁性元件來(lái)執(zhí)行“異或(exclusive OR)”以及“異或”的反轉(zhuǎn)邏輯的實(shí)例。
圖28顯示本發(fā)明第十實(shí)施例具有TMR磁性元件的磁性信號(hào)處理裝置的示意圖和真值表。下面將說(shuō)明本發(fā)明第十實(shí)施例具有TMR磁性元件的磁性信號(hào)處理裝置。
如圖28所示，圖15C所示的TMR磁性元件用作第十實(shí)施例。與兩個(gè)輸入a和b相對(duì)應(yīng)執(zhí)行“異或”以及“異或”的反轉(zhuǎn)邏輯的運(yùn)算處理。
磁性層D和D’由CoFe所形成。中間層R和R’由Cu所形成。磁性層C和C’由FeCoNiB所形成。中間層P和P’由MnFe2O4作為絕緣強(qiáng)磁性材料所形成。磁性電極A和B由包含F(xiàn)eCoNiB/Co的兩層膜所形成。隧道勢(shì)壘層TB(溝道層0)由MgO所形成。
兩個(gè)輸入a和b分別對(duì)應(yīng)于電極K和L之間所流的電流(或電壓)和電極K’和L’之間所流的電流(或電壓)。當(dāng)輸入信號(hào)a和b是0或1時(shí)，所提供的電流(或電壓)使得電流Ix或零(或幾乎為零)電流流過(guò)。電流值Ix大于磁性層C和C’引發(fā)電流驅(qū)動(dòng)磁化反轉(zhuǎn)的臨界電流值Ixc，最好是幾乎等于隨后說(shuō)明的Ip。“幾乎為零的電流值”最好是幾乎等于隨后說(shuō)明的Iap。此外，弱磁耦合最好是存在于磁性層C和D之間以及磁性層C’和D’之間(該層結(jié)構(gòu)例中采用依靠靜磁耦合的負(fù)向磁耦合)。設(shè)定與輸入信號(hào)a對(duì)應(yīng)的電流以便自旋極化電子e從磁性層D流到磁性層C。設(shè)定與輸入信號(hào)b對(duì)應(yīng)的電流以便自旋極化電子e從磁性層D’流到磁性層C’。
輸入兩個(gè)信號(hào)a和b。當(dāng)各信號(hào)為0時(shí)，磁性層C和C’的磁化往左反轉(zhuǎn)。當(dāng)各信號(hào)為1時(shí)，磁性層C和C’的磁化則保持往右方向。磁性層C和C’的磁化信息分別通過(guò)中間層P和P’傳送給磁性電極A和B。結(jié)果是，磁性電極A和B的磁化如真值表所示組合。
至于輸出，通過(guò)使用電源將電壓加于磁性電極A和B之間。作為TMR效應(yīng)來(lái)提取磁性電極A和B磁化的組合狀態(tài)。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)磁化平行時(shí)所流過(guò)的電流Ip較大。而反向平行狀態(tài)下電流Iap較小。當(dāng)電流Ip和Iap分別設(shè)定為0和1時(shí)，便獲得真值表中所示的關(guān)系。因此，可以由單一元件執(zhí)行“異或”(XOR)。
如圖26A所示，輸出電流最好是滿足Ip＞Ixc＞Iap，因?yàn)榱硪粋€(gè)元件可以通過(guò)將輸出信號(hào)與另一個(gè)磁性元件的輸入連接而動(dòng)作。
上述“異或”中，如圖28所示，磁性層D和D’的磁化設(shè)定為相互平行。當(dāng)磁性層D和D’的磁化設(shè)定為相互反向平行時(shí)，可以通過(guò)應(yīng)用上述原理來(lái)執(zhí)行“異或的反轉(zhuǎn)邏輯”。也就是說(shuō)，該元件是可重新配置的，從而可以通過(guò)改變磁性層D或D’的磁化來(lái)改變運(yùn)算功能。
為了使得該磁性元件可重新配置，按下列方式執(zhí)行磁性層D和D’的磁化反轉(zhuǎn)。(a)為了產(chǎn)生磁場(chǎng)，在磁性層D和D’附近設(shè)置互連，并加上外部磁場(chǎng)。(b)以間接或直接方式與磁性層D和D’鄰接設(shè)置強(qiáng)磁性部分以提供自旋電流，從而執(zhí)行電流驅(qū)動(dòng)磁化反轉(zhuǎn)。(c)通過(guò)絕緣體+導(dǎo)電部分與磁性層D和D’鄰接設(shè)置強(qiáng)磁性部分，在強(qiáng)磁性部分和磁性層D或C之間加上電壓，從而執(zhí)行電壓驅(qū)動(dòng)磁化反轉(zhuǎn)。
信號(hào)設(shè)定方法、電流流向、以及磁化方向的限定并不局限于上述說(shuō)明，并且可以相反。按照這些設(shè)定執(zhí)行“異或”或“異或”的反轉(zhuǎn)邏輯。膜組分并不局限于上述例。磁耦合方式也不局限于上述例。
如上所述，按照本發(fā)明的第十實(shí)施例，可以獲得與第一實(shí)施例情形相同的效果。此外，可以由基于自旋組合的運(yùn)算器件執(zhí)行“異或”以及“異或”的反轉(zhuǎn)邏輯。
第十一實(shí)施例第十一實(shí)施例中，將說(shuō)明其中通過(guò)使用類似于第十實(shí)施例的TMR磁性元件對(duì)應(yīng)于一個(gè)輸入執(zhí)行否定(NOT)和肯定運(yùn)算處理的實(shí)例。
圖29是本發(fā)明第十一實(shí)施例具有TMR磁性元件的磁性信號(hào)處理裝置的示意圖。下面將說(shuō)明本發(fā)明第十一實(shí)施例具有TMR磁性元件的磁性信號(hào)處理裝置。
如圖29所示，作為第十一實(shí)施例，通過(guò)使用圖15A所示的TMR磁性元件來(lái)執(zhí)行1輸入運(yùn)算處理。
一個(gè)輸入a對(duì)應(yīng)于電極K和L之間所流過(guò)的電流(或電壓)。加上電流Ix或零(或幾乎為零)電流(或電壓)用于輸入信號(hào)0或1。電流值Ix大于磁性層C引發(fā)電流驅(qū)動(dòng)磁化反轉(zhuǎn)的臨界電流值Ixc，最好是幾乎等于隨后說(shuō)明的Ip?！皫缀鯙榱愕碾娏髦怠弊詈檬菐缀醯扔陔S后說(shuō)明的Iap。此外，弱磁耦合最好是存在于磁性層C和D之間(該層結(jié)構(gòu)例中采用依靠靜磁耦合的負(fù)向磁耦合)。設(shè)定電流以便自旋極化電子e從磁性層D流到磁性層C。
輸入信號(hào)a。當(dāng)信號(hào)為0時(shí)，磁性層C的磁化往左反轉(zhuǎn)。當(dāng)信號(hào)為1時(shí)，磁性層C和C’的磁化朝向往右方向。結(jié)果是，當(dāng)輸入信號(hào)a為1時(shí)磁性電極A和B的磁化組合平行，而輸入信號(hào)a為0時(shí)則反向平行。當(dāng)與第十實(shí)施例情形相同的定義應(yīng)用于該輸出時(shí)，輸出分別為1和0。因此，可以執(zhí)行否定(NOT)運(yùn)算處理。
參考圖29，磁性層B的磁化設(shè)定為往右。當(dāng)磁化設(shè)定為往左時(shí)，可以執(zhí)行肯定運(yùn)算處理。即便是將磁性層D的磁化設(shè)定為往左而非改變磁性層B的磁化方向時(shí)，也可以執(zhí)行肯定運(yùn)算處理。即便是這種情況下，信號(hào)設(shè)定方法也不局限于上述方法，并且可以相反。按照此設(shè)定執(zhí)行否定或肯定運(yùn)算處理。
如上所述，按照本發(fā)明的第十一實(shí)施例，可以獲得與第一實(shí)施例情形相同的效果。此外，可以執(zhí)行與一個(gè)輸入對(duì)應(yīng)的否定和肯定運(yùn)算處理。
第十二實(shí)施例第十二實(shí)施例中，將說(shuō)明其中通過(guò)使用自旋擴(kuò)散磁性元件來(lái)執(zhí)行“異或”以及“異或”的反轉(zhuǎn)邏輯的實(shí)例。
圖30是本發(fā)明第十二實(shí)施例具有自旋擴(kuò)散磁性元件的磁性信號(hào)處理裝置的示意圖。下面將說(shuō)明本發(fā)明第十二實(shí)施例具有自旋擴(kuò)散磁性元件的磁性信號(hào)處理裝置。
如圖30所示，將圖16B所示的自旋擴(kuò)散磁性元件用作第十二實(shí)施例。對(duì)應(yīng)于兩個(gè)輸入a和b執(zhí)行“異或”以及“異或”的反轉(zhuǎn)邏輯的運(yùn)算處理。
兩個(gè)輸入a和b分別對(duì)應(yīng)于電極K和L之間所流過(guò)的電流和電極K’和L’之間所流過(guò)的電流。提供電壓以便隨輸入信號(hào)0或1而產(chǎn)生電流ly或Iz(≠ly)。ly和磁性層C和C’引發(fā)電流驅(qū)動(dòng)磁化反轉(zhuǎn)并變?yōu)榕c磁性層D和D’平行時(shí)的臨界電流值lyc具有關(guān)系|ly|＞|lyc|。Iz和磁性層C和C’的磁化變?yōu)榕c磁性層D和D’反向平行時(shí)的臨界電流值Izc具有關(guān)系|Iz|＞|Izc|。輸入信號(hào)a和b。當(dāng)各信號(hào)為0時(shí)，磁性層C和C’的磁化朝向往右方向。當(dāng)各信號(hào)為1時(shí)，磁性層C和C’的磁化朝向往左方向。
作為輸出，當(dāng)在電極I1和H之間提供電流時(shí)，使用的是電極I2和J之間所產(chǎn)生的電壓。隨磁性電極A和B之間的磁化關(guān)系(平行或反向平行)所產(chǎn)生的電壓是Vf或Vaf。如同第十實(shí)施例情形那樣，當(dāng)分別使Vf和Vaf對(duì)應(yīng)于0和1時(shí)，可以由單一元件執(zhí)行“異或”XOR。
如圖26B所示，當(dāng)將輸出輸入至另一磁性元件時(shí)，可以傳送信號(hào)。
即便是自旋擴(kuò)散類型，當(dāng)磁性層D和D’之間的磁化關(guān)系改變時(shí)，也可以使該功能重寫(xiě)(可重新配置)。為了使磁性元件可重新配置，通過(guò)第十實(shí)施例中所說(shuō)明的方法(a)至方法(c)來(lái)執(zhí)行磁性層D和D’的磁化反轉(zhuǎn)。
信號(hào)設(shè)定方法、電流流向、以及磁化方向的限定并不局限于上述說(shuō)明，并且可以相反。按照這些設(shè)定執(zhí)行“異或”或者“異或”的反轉(zhuǎn)邏輯。
如上所述，按照本發(fā)明的第十二實(shí)施例，可以獲得與第一實(shí)施例情形相同的效果。此外，可以由基于自旋組合的運(yùn)算器件執(zhí)行“異或”以及“異或”的反轉(zhuǎn)邏輯。
其他的優(yōu)點(diǎn)和修改對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是很容易實(shí)現(xiàn)的。因此，本發(fā)明在其較寬方面并不局限于本文給出和說(shuō)明的具體細(xì)節(jié)和典型實(shí)施例。因而，可以在不背離如同所附的權(quán)利要求書(shū)及其等同范圍所限定的本發(fā)明實(shí)質(zhì)和范圍的情況下進(jìn)行種種修改。
權(quán)利要求
1.一種磁性元件，其特征在于，包括溝道層；與所述溝道層接觸的第一磁性電極；與所溝道層接觸、并與所述第一磁性電極絕緣的第二磁性電極；與所述第一磁性電極鄰接設(shè)置、并具有第一絕緣層的第一中間層；設(shè)置為與所述第一中間層的位于與接觸所述第一磁性電極的表面的相反側(cè)的表面接觸，以將磁化傳遞給所述第一磁性電極的第一磁性層；與所述第一磁性電極連接的第一電極；以及與所述第二磁性電極連接的第二電極，所述第一電極和所述第二電極中的至少一個(gè)輸出隨所述第一磁性電極和所述第二磁性電極的磁化配置而變化的第一信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的元件，其特征在于，進(jìn)一步包括第二磁性層；形成在所述第一磁性層和所述第二磁性層之間的第二中間層；與所述第一磁性電極連接的第三電極，以及與所述第二磁性電極連接的第四電極，所述第三電極和所述第四電極提供第二信號(hào)以控制所述第一磁性層的磁化方向，其中在所述第一磁性電極和所述第一磁性層之間磁耦合通過(guò)所述第一中間層起作用。
3.如權(quán)利要求2所述的元件，其特征在于，所述第二信號(hào)由注入到所述第一磁性層和所述第二磁性層中的一個(gè)的自旋極化電子提供，所述第一磁性層的磁化方向由所述自旋極化電子的注入方向控制。
4.如權(quán)利要求2所述的元件，其特征在于，所述第二信號(hào)由所述第一磁性層和所述第二磁性層之間所加的電壓提供，所述第一磁性層的磁化方向通過(guò)根據(jù)所述電壓的大小改變所述第一磁性層和所述第二磁性層之間的磁耦合而控制。
5.如權(quán)利要求2所述的元件，其特征在于，所述第一中間層基本上由絕緣磁性材料制成，以將所述第一磁性層的磁化方向平行地傳遞至所述第一磁性電極的磁化方向。
6.如權(quán)利要求2所述的元件，其特征在于，所述第一中間層基本上由絕緣非磁性材料制成，以將所述第一磁性層的磁化方向平行地或反向平行地傳遞至所述第一磁性電極的磁化方向。
7.如權(quán)利要求2所述的元件，其特征在于，所述第一中間層基本上由絕緣非磁性材料制成，以將所述第一磁性層的磁化方向反向平行地傳遞至所述第一磁性電極的磁化方向。
8.如權(quán)利要求2所述的元件，其特征在于，通過(guò)使所述第一磁性層的磁化進(jìn)動(dòng)，從所述第一磁性層產(chǎn)生微波，并由所述微波控制所述第一磁性電極的磁化方向。
9.如權(quán)利要求1所述的元件，其特征在于，進(jìn)一步包括與所述第一磁性層連接的第三電極，其中在所述第一電極和所述第三電極之間提供第二信號(hào)以控制所述第一磁性電極的磁化方向。
10.如權(quán)利要求9所述的元件，其特征在于，所述第二信號(hào)由所述第一磁性電極和所述第一磁性層之間所加的電壓提供，所述第一磁性電極的磁化方向通過(guò)根據(jù)所述電壓的大小而改變所述第一磁性電極和所述第一磁性層之間的磁耦合而控制。
11.如權(quán)利要求1所述的元件，其特征在于，所述溝道層是隧道勢(shì)壘層，用作所述第一信號(hào)的隧道電流或電壓因所述第一磁性電極和所述第二磁性電極的磁化配置而改變。
12.如權(quán)利要求1所述的元件，其特征在于，所述溝道層是金屬層，所述磁性元件進(jìn)一步包括與所述溝道層連接的第五電極，其中，通過(guò)在所述第一磁性電極和所述第五電極之間提供電流和電壓中的一個(gè)來(lái)檢測(cè)電壓和電流中的一個(gè)，所檢測(cè)的電壓和電流中的一個(gè)根據(jù)所述第一磁性電極和所述第二磁性電極的磁化配置在所述第二磁性電極和所述溝道層之間產(chǎn)生。
13.如權(quán)利要求12所述的元件，其特征在于，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述第二磁性電極和所述溝道層之間，并包含氧、氮、和氟中的至少一個(gè)的化合物層。
14.如權(quán)利要求12所述的元件，其特征在于，所述第五電極具有第一電極部分和第二電極部分，所述第一電極部分用于在所述第一磁性電極和所述第五電極之間提供電流和電壓中的一個(gè)，所述第二電極部分用于檢測(cè)所述第二磁性電極和所述溝道層之間根據(jù)所述第一磁性電極和所述第二磁性電極的磁化配置而產(chǎn)生的電壓和電流中的一個(gè)。
15.如權(quán)利要求1所述的元件，其特征在于，所述溝道層是半導(dǎo)體層，并進(jìn)一步包括通過(guò)第二絕緣層設(shè)置于所述半導(dǎo)體層上的柵極電極，或者所述溝道層是在第三絕緣層中具有導(dǎo)電部分的層，并進(jìn)一步包括設(shè)置于所述第三絕緣層上的柵極電極。
16.如權(quán)利要求1所述的元件，其特征在于，所述第一磁性電極基本上由在室溫下呈現(xiàn)磁性起伏的磁性材料和磁性半導(dǎo)體中的一個(gè)制成。
17.一種磁性信號(hào)處理裝置，其特征在于，包括第一磁性元件；和第二磁性元件，所述第一磁性元件包括第一溝道層；與所述第一溝道層接觸的第一磁性電極；與所述第一溝道層接觸、并與所述第一磁性電極絕緣的第二磁性電極；與所述第一磁性電極鄰接設(shè)置、并具有第一絕緣層的第一中間層；設(shè)置為與所述第一中間層的位于與接觸所述第一磁性電極的表面的相反側(cè)的表面接觸，以將磁化傳遞給所述第一磁性電極的第一磁性層；與所述第一磁性電極連接的第一電極；以及與所述第二磁性電極連接的第二電極，所述第二磁性元件包括第二溝道層；與所述第二溝道層接觸的第三磁性電極；與所述第二溝道層接觸、并與第三磁性電極絕緣的第四磁性電極；與所述第三磁性電極鄰接設(shè)置、并具有第二絕緣層的第二中間層；設(shè)置為與所述第二中間層的位于與接觸所述第三磁性電極的表面的相反側(cè)的表面接觸，以將磁化傳遞給所述第三磁性電極的第二磁性層；與所述第三磁性電極連接的第三電極；以及與所述第四磁性電極連接的第四電極，所述第一電極和所述第二電極中的至少一個(gè)輸出隨所述第一磁性電極和所述第二磁性電極的磁化配置變化的第一信號(hào)，并將該第一信號(hào)輸入至所述第二磁性層。
18.一種磁性信號(hào)處理裝置，其特征在于，包括磁性元件，該磁性元件包括溝道層；與所述溝道層接觸的第一磁性電極；與所述溝道層接觸、并與所述第一磁性電極絕緣的第二磁性電極；與所述第一磁性電極鄰接設(shè)置、并具有第一絕緣層的第一中間層；設(shè)置為與所述第一中間層的位于與接觸所述第一磁性電極的表面的相反側(cè)的表面接觸，以將磁化傳遞給所述第一磁性電極的第一磁性層；將磁化傳遞給所述第二磁性電極的第二磁性層；設(shè)置于所述第二磁性層和所述第二磁性電極之間、并具有第二絕緣層的第二中間層；以及與所述第一磁性電極連接的第一電極；和與所述第二磁性電極連接的第二電極，所述第一電極和所述第二電極中的至少一個(gè)輸出隨所述第一磁性電極和所述第二磁性電極的磁化配置變化的第一信號(hào)，且所述第二磁性層的磁化方向通過(guò)所述第二磁性電極和所述第二磁性層之間通過(guò)所述第二中間層而起作用的磁耦合被傳遞至所述第二磁性電極的磁化方向。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于，通過(guò)將第一輸入信號(hào)1或0輸入至所述第一磁性層，并將第二輸入信號(hào)0或1輸入至所述第二磁性層，來(lái)執(zhí)行“異或”或者“異或”的反轉(zhuǎn)邏輯的運(yùn)算處理，并且將執(zhí)行結(jié)果作為所述第一信號(hào)輸出。
20.一種磁性信號(hào)處理裝置，其特征在于，包括磁性元件，該磁性元件包括溝道層；與所述溝道層接觸的第一磁性電極；與所述溝道層接觸、并與第一磁性電極絕緣的第二磁性電極；與所述第一磁性電極鄰接設(shè)置、并具有第一絕緣層的第一中間層；設(shè)置為與所述第一中間層的位于與接觸第一磁性電極的表面的相反側(cè)的表面接觸，以將磁化傳遞給所述第一磁性電極的第一磁性層；將磁化傳遞給所述第二磁性電極的第二磁性層；設(shè)置于所述第二磁性層和所述第二磁性電極之間、并具有第二絕緣層的第二中間層；與所述第一磁性電極連接的第一電極；以及與所述第二磁性電極連接的第二電極，所述第一電極和所述第二電極中的至少一個(gè)輸出隨第一磁性電極和第二磁性電極的磁化配置變化的第一信號(hào)，通過(guò)將輸入信號(hào)1或0輸入至所述第一磁性層來(lái)執(zhí)行否定或肯定運(yùn)算處理，并將執(zhí)行結(jié)果作為所述第一信號(hào)輸出。
全文摘要
一種磁性元件包括溝道層；與該溝道層接觸的第一磁性電極；與該溝道層接觸、并與第一磁性電極絕緣的第二磁性電極；與第一磁性電極鄰接設(shè)置、并具有第一絕緣層的第一中間層；設(shè)置為與該第一中間層的與位于接觸第一磁性電極的表面的相反側(cè)的表面接觸，以將磁化傳遞給第一磁性電極的第一磁性層；與第一磁性電極連接的第一電極；以及與第二磁性電極連接的第二電極，第一電極和第二電極中的至少一個(gè)輸出隨第一磁性電極和第二磁性電極的磁化配置變化的第一信號(hào)。
文檔編號(hào)H03K19/168GK1937074SQ20061013988
公開(kāi)日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2006年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月20日
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