JP2008192712A - トンネル磁気抵抗素子 - Google Patents

Abstract

【課題】積層構造を有さないでトンネル接合を形成した新規な構造のトンネル接合磁気抵抗素子を提供する。
【解決手段】強磁性体からなる第１の電極１２と強磁性体からなる第２の電極１３と第１の電極１２及び第２の電極１３の間に配置されるナノ粒子１４とを備え、ナノ粒子１４が強磁性金属ナノ粒子１４ａの外周に絶縁性を有する保護基１４ｂを有する。強磁性金属ナノ粒子１４ａと第１の電極１２との間に第１のトンネル接合１５ａが形成され、強磁性金属ナノ粒子１４ａと第２の電極１３との間に第２のトンネル接合１５ｂが形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気センサやＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）などに用いられるトンネル磁気抵抗素子に係り、特に積層構造を用いることなくトンネル接合を形成したトンネル磁気抵抗素子に関する。

トンネル磁気抵抗素子は一般に磁気固定層（ピン層）／絶縁層／磁気自由層（フリー層）の３層を含み、この絶縁層が厚さ２ｎｍ前後以下と非常に薄いために電子の一部がトンネルして絶縁層を通過する。トンネル磁気抵抗素子における磁気固定層の磁化方向は、トンネル磁気抵抗素子を流れる電流の向きに直交した方向に固定されているのに対し、磁気自由層の磁化方向は、検出しようとする外部磁場の方向に応じて、磁気固定層の磁化方向と同じ方向か逆方向の何れかの方向となる。磁気自由層の磁化方向が磁気固定層の磁化方向と同じ方向である場合には、大きなトンネル電流が流れるためトンネル磁気抵抗素子の抵抗値は小さくなる。逆に、磁気自由層の磁化方向が磁気固定層の磁化方向と逆方向である場合には小さなトンネル電流しか流れないためトンネル磁気抵抗素子の抵抗値は大きくなる。よって、トンネル磁気抵抗素子の抵抗値の大小によって、外部磁界をセンシングすることができる（特許文献１及び２、非特許文献１〜３）。

ガリウム・マンガン・ヒ素薄膜からなる単一電子トランジスタ構造を採用したクーロンブロッケード異方性磁気抵抗効果素子では、トンネル磁気抵抗が１００倍を超えて変化することが報告されている（非特許文献４）。

一方、本発明者らは、コア粒径及び有機配位子材料を設計した金属ナノ粒子を合成してＳＰＭプローブの電極としてエレクトロンシャトルを作製し、単一金属ナノ粒子における有機配位子のトンネル抵抗を見積もり、単一金属ナノ粒子上の単一電子測定などに成功している。また、粒径１０ｎｍ以下のシングルナノメートルの金属ナノ粒子は、サイズ特異的な電子物性や磁気物性を示すことから、次世代のナノ電子素子やナノ磁気素子の構成単位として大きな注目を集めている。

ところで、ナノギャップ電極を作製する方法として、例えばメカニカルブレイクジャンクション法（非特許文献５）やエレクトロマイグレーション法（非特許文献６）、エアブリッジマスクを用いた斜め蒸着法（非特許文献７及び８）、電子線露光法（Electron Beam Lithography、ＥＢＬ法）による直接描画法（非特許文献９）、めっき法（非特許文献１０及び１１）などの各種方法が提案されている。そのうちＥＢＬや光リソグラフィーで数十ｎｍのギャップを形成し、このギャップ間をめっきで狭めることにより、３．３ｎｍ±１．４ｎｍや５ｎｍ以下のギャップ幅を再現性よく、かつ９０％の歩留まりでナノギャップ電極を作製することが報告されている（非特許文献１２）。

特開２００６−１４７６０５号公報 特開２００３−０８６８６３号公報 Nano Letters 6，p.123，2006 Phys. Rev. Lett. 93，p.136601， 2004 Science 306，p.86， 2004 J. Wunderlich，他１２名，"Coulomb Blockade Anisotropic Magnetoresistance Effect in a (Ga,Mn) As Single-Electron Transistor"，Phys. Rev. Lett. 97，p.077201，2006 M.A.Reed,他４名, "Conductance of a Molecular Junction", Science, 278, p.252, 1997 H.Park,他５名, "Nanomechanical Oscillations in a single-C60 Transistor", Nature, 407, p57, 2000 Kazuki Sasao,他５名, "Observation of Current Modulation thorough Self-Assembled Monolayer Molecule in Transistor Structure", Jpn. J. Appl. Phys.,43, pp.L337-L339,2004 J.O.Lee 他８名, "Absence of Strong Gate Effects in Electrial Measurements on Pheneylene-Based Conjugated Molecules", Nano Lett. 3, pp.113-117, 2003 M.S.M.Saifullah 他３名, "A reliable scheme for fabricating sub-5nm co-planar junctions for single-molecule electronics", Nanotechnology, 13, pp.659-662, 2002 Y.V.Kervannic 他４名, "Nanometer-spaced electrodes with calibrated separation", Appl.phys.Lett., 80, pp.321, 2002 B.Liu 他７名, "Controllable nanogap fabrication on microchip by chronopotentionmetry", Electrochimica Acta, 50, pp.3041-3047, 2005 C.S.Ah 他５名, "Fabrication of integrated nanogap electrodes by surface-catalyzed chemical deposition", Appl.Phys.Lett., 88, pp.133116, 2006

しかしながら、一般的な磁気抵抗素子では磁気固定層／絶縁層／磁気自由層の積層構造を有し、その絶縁層の絶縁性能を安定して得ることが困難であり、動作安定に悪影響を及ぼす。クーロンブロッケード異方性磁気抵抗素子では、ガリウム・マンガン・ヒ素薄膜の二次元電子ガス構造を有する積層構造を有する。

そこで、本発明は、積層構造を有さないでトンネル接合を形成した新規な構造のトンネル接合磁気抵抗素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のトンネル磁気抵抗素子は、強磁性体からなる第１の電極と、第２の電極と、第１の電極及び第２の電極間に配置されるナノ粒子とを備え、ナノ粒子は強磁性金属ナノ粒子の外周に絶縁性を有する保護基を有してなり、強磁性金属ナノ粒子と第１の電極との間にトンネル接合が形成されることを特徴とする。
本発明のトンネル磁気抵抗素子は、強磁性体からなる第１の電極と、強磁性体からなる第２の電極と、第１の電極及び第２の電極の間に配置されるナノ粒子と、を備え、ナノ粒子は強磁性金属ナノ粒子の外周に絶縁性を有する保護基を有してなり、強磁性金属ナノ粒子と第１の電極との間に第１のトンネル接合が形成され、強磁性金属ナノ粒子と第２の電極との間に第２のトンネル接合が形成されることを特徴とする。

上記構成によれば、強磁性金属ナノ粒子と電極との間にトンネル接合が形成されるので、積層構造を採用する必要がなく、安定して動作させることができる。また、従来の一般的なトンネル磁気抵抗素子と比べ歩留まり良く作製することができる。

上記構成において、強磁性金属ナノ粒子は、トンネル接合で接続される電極と比べ外部磁場に対する保磁力が小さく、強磁性金属ナノ粒子のスピンの向きが外部磁場により制御され、第１の電極と第２の電極との間に流れる電流の大小でスイッチング機能を有する ようにしてもよい。特に、強磁性金属ナノ粒子をクーロン島とし、クーロンブロッケード現象により高い磁気抵抗比を有するスイッチング機能を備える。
強磁性金属ナノ粒子は、トンネル接合で接続される電極と比べ外部磁場に対する保磁力が小さく、外部磁場で前記強磁性金属ナノ粒子のスピンの向きが変化することで、第１の電極と第２の電極との間に流れる電流の大小に基づいて磁場を検出することが好ましい。
強磁性金属ナノ粒子は、トンネル接合で接続される電極と比べ外部磁場に対する保磁力が大きく、外部磁場で第１の電極又は第２の電極のスピンの向きが変化することで、第１の電極と第２の電極との間に流れる電流の大小に基づいて磁場を検出するようにしてもよい。
さらに、第１の電極と第２の電極との配置方向に対し交わる方向に、ゲート電極を備えることが好ましい。

上記構成によれば、一重トンネル接合磁気抵抗素子や二重トンネル接合磁気抵抗素子で、スイッチング素子や磁気センサなどを実現することができる。また、ゲート電極を有する構成では二重トンネル接合抵抗素子を含んだ単一電子トランジスタ構造を採用することになるので、クーロンブロッケード異方性磁気抵抗素子を実現でき、磁気抵抗効果の大きさと信号変化の正負とをゲート電極で制御することもできる。

本発明によれば、少なくとも一方が強磁性体でなる一対の電極間にナノ粒子を配置し、ナノ粒子が強磁性金属ナノ粒子の外周に絶縁層を保護基として有してなるので、電極と強磁性金属ナノ粒子との間にトンネル接合が形成される。従って、従来のような磁気固定層／絶縁層／磁気自由層の積層構造を有さないため、安定して動作することができる。一重トンネル接合磁気抵抗素子や二重トンネル磁気抵抗素子で、スイッチング素子や磁場検出素子を実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
図１は、本発明のトンネル磁気抵抗素子１０の構造を模式的に示す図である。本発明のトンネル磁気抵抗素子１０は、図１に示すように、基板１１上に所定の隙間を有するよう対向配置される第１の電極１２及び第２の電極１３と、第１の電極１２と第２の電極１３との隙間に配置されるナノ粒子１４とを備えて構成される。基板１１は、例えば導体基板又は半導体基板１１ｂ上に絶縁層１１ａが形成されてなる。

図２は、図１に示すトンネル抵抗磁気抵抗素子１０におけるナノ粒子１４を示す図である。図３は、図２の具体的な例として、保護基を有するＬ１₀-ＦｅＰｔナノ粒子を模式的に示す図である。図３において白抜きの球はＰｔを表し、斜線付きの球はＦｅを表している。ナノ粒子１４は、図２及び図３に示すように、強磁性体でなる金属ナノ粒子１４ａの外周に絶縁性を有する保護基１４ｂを設けてなる。ここで、強磁性体でなる金属ナノ粒子、即ち強磁性金属ナノ粒子１４ａは、Ｆｅ，Ｃｏ，γ-Ｆｅ₂Ｏ₃などの軟磁性体や、ＦｅＰｔ，ＣｏＰｔ,ＦｅＰｄ，ＭｎＡｌなどの硬磁性体でなる単分散ナノ粒子である。単分散ナノ粒子とは、粒径分布における標準偏差が１０％以下のナノ粒子である。強磁性金属ナノ粒子１４ａは、所定の粒径、形状、組成、結晶構造、収量（ｇ／バッチ）を有する。例えば所定の粒径としては３〜１０ｎｍであり、所定の形状としてはｃｕｂｏ−八面体、立方体である。

強磁性金属ナノ粒子１４ａは、所定の粒径、金属組成及び焼成温度の何れか一つ以上を制御することで、所定の保磁力を有するようにする。例えば、粒径３．１ｎｍのＦｅＰｔから形成されるナノ粒子を６００℃で焼成処理した場合の保磁力はＦｅ₄₉Ｐｔ₅₁で約２．８ｋＯｅ、Ｆｅ₅₅Ｐｔ₄₅で約６．４ｋＯｅ、Ｆｅ₆₄Ｐｔ₃₆で約４ｋＯｅとなり、鉄の組成比が増す毎に保磁力も増加する。さらに、焼成温度が高くなると、ｆｃｃ（面心立方）からｆｃｔ（面心直方）構造への規則度が増加するので、保磁力も増加する。
単磁区構造を有するナノ粒子では、粒径２０ｎｍ程度までは粒径の増大に従い熱擾乱による磁化反転が抑制されるので、保磁力も増大する。

一方、保護基１４ｂは、有機酸、有機アミンなどの有機物である。有機酸としては、化学式（１）で示されるオレイン酸の他、ステアリン酸、パルチミン酸、ミリスチン酸、ラウリン酸、カプリン酸などの脂肪酸、有機アミンとして化学式（２）で示されるオレイルアミンの他、ステアリルアミン、ミリスチルアミン、ラウリルアミン、カプリルアミン、アダマンチルアミンなどの脂肪族アミンが好ましい。
有機酸と有機アミンとはほぼ等モル、即ち４／６〜６／４のモル比で、特に好ましくは５／５のモル比で、強磁性金属ナノ粒子１４ａの回りに保護基１４ｂとして付着している。

第１の電極１２及び第２の電極１３は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＮｉＦｅ（パーマロイ）、ＣｏＰｔＣｒ、ＢａＦｅＯ、ＭｎＡｌ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔ、ＦｅＮｄＢ、ＦｅＰｔ、ＳｍＣｏなど強磁性体でなる。よって、強磁性金属ナノ粒子１４ａと第１の電極１２との間には第１のトンネル接合１５ａが形成され、強磁性金属ナノ粒子１４ａと第２の電極１３との間には第２のトンネル接合１５ｂが形成され、第１の電極１２と強磁性金属ナノ粒子１４ａとは第１のトンネル接合１５ａで接続され、第２の電極１３と強磁性金属ナノ粒子１４ａとは第２のトンネル接合１５ｂで接続されている。

ここで、第１の電極１２及び第２の電極１３を異なる電極材料で構成したり、電極幅や電極長など電極形状の構造を対称構造、非対称構造にすることで、電極１２、電極１３それぞれの保磁力を変化させることができる。即ち、電極構造が対称の場合、一定外部磁場中では第１の電極１２、第２の電極１３の磁気モーメントは平行（parllel）となるが、非対称な電極構造では、一定外部磁場中では、第１電極１２、第２の電極１３の磁気モーメントを逆平行（antiparallel）状態にすることができる。

以上のように、図１に示すトンネル接合磁気抵抗素子１０は、表面が絶縁性の基板１１上に第１及び第２の電極１２，１３がギャップを有するよう配置され、保護基１４ｂを強磁性金属ナノ粒子１４ａの外周に設けてなるナノ粒子１４が配置される構造であることから、積層構造を有しないで、第１及び第２のトンネル接合１５ａ，１５ｂで二重トンネル接合を有している。よって、従来のように、トンネル接合を形成するために磁気固定層／絶縁層／磁気自由層の積層構造を有しない。

ここで、第１の電極１２と第２の電極１３との隙間、即ちギャップは、１〜１０ｎｍのナノオーダー、特に３〜５ｎｍであることが好ましい。これは、不要なトンネル過程によるリーク電流を少なくするためである。トンネル電流はトンネル距離に対して指数関数的に減少し、真空や大気中では０．１ ｎｍで１桁電流が変化する。よって、ギャップが１ｎｍ以下となると、強磁性金属ナノ粒子１４ａを介在せずに第１の電極１２と第２の電極１３の間をトンネルすることで、不要なトンネル過程によるリーク電流が流れてしまうため、好ましくない。
特に、クーロンブロッケード異方性磁気抵抗素子とする場合には、強磁性金属ナノ粒子１４ａと第１の電極１２及び第２の電極１３との間の静電容量が小さいほうが温度特性に優れるため、強磁性金属ナノ粒子の粒径が小さい方が好ましく、その結果としてギャップ間は狭い方が好ましい。

図４は、図１に示すトンネル接合磁気抵抗素子１０を動作させるための回路構成を模式的に示す図である。図４に示すように、トンネル接合磁気抵抗素子１０における第１の電極１２側に可変直流電源２１を接続し、第２の電極１３側に、トンネル接合磁気抵抗素子１０に流れる電流を測定するための電流計２２を接続する。これで、トンネル接合磁気抵抗素子１０に流れる電流を電流計２２で計測し、電流の変化を検出することができる。

次に、図１に示すトンネル接合磁気抵抗素子１０の好ましい形態として、第１の電極１２及び第２の電極１３と比べ強磁性金属ナノ粒子１４ａが、外部磁場に対する小さい又は大きい保磁力を有する形態について説明する。
先ず、強磁性金属ナノ粒子１４ａが第１の電極１２及び第２の電極１３より、外部磁場に対する保磁力が小さい場合を説明する。ここで、強磁性金属ナノ粒子１４ａが第１の電極１２及び第２の電極１３より外部磁場に対する保磁力を小さくするためには、前述したように、強磁性金属ナノ粒子１４ａの粒径や組成を調節し、かつ第１の電極１２及び第２の電極１３の電極材料又は電極形状を調節することで実現することができる。この形態では、強磁性金属ナノ粒子１４ａのスピンの向きを外部磁場で制御することができる。

図５は、図１に示すトンネル接合磁気抵抗素子１０の動作を示すための説明図である。なお、図中において白抜きの矢印は電子のスピン状態を示し、太字の矢印は電子の流れを示している。
外部磁場を強磁性金属ナノ粒子１４ａに印加して、強磁性金属ナノ粒子１４ａのスピンの向きを第１の電極１２及び第２の電極１３のスピンの向きと揃えると（図５（Ａ）に示す状態）、第１のトンネル接合１５ａ，強磁性金属ナノ粒子１４ａ及び第２のトンネル接合１５ｂを介して第１の電極１２と第２の電極１３との間に流れる電流を大きくすることができる。
逆に、外部磁場を強磁性金属ナノ粒子１４ａに印加して、強磁性金属ナノ粒子１４ａのスピンの向きを第１の電極１２及び第２の電極１３のスピンの向きと逆向きにすると（図５（Ｂ）に示す状態）、第１のトンネル接合１５ａ，強磁性金属ナノ粒子１４ａ及び第２のトンネル接合１５ｂを介して第１の電極１２と第２の電極１３との間に流れる電流を小さくすることができる。
よって、トンネル磁気抵抗素子１０は、外部磁場で電流の大小を制御するスイッチング機能を有したり、流れる電流の測定により外部磁場を検出する検出機能を有する。

逆に、第１の電極１２及び第２の電極１３と比べ強磁性金属ナノ粒子１４ａが外部磁場に対して大きい保磁力を有するトンネル接合磁気抵抗素子１０であっても、外部磁場による第１の電極１２及び第２の電極１３のスピンの向きの変化を検出することができ、磁場検出素子を実現することができる。

さらに、図１に示すトンネル接合磁気抵抗素子１０は、強磁性体でなる第１の電極１２及び第２の電極１３との間に金属ナノ粒子を埋め込んだ構造、即ち、二重トンネル接合磁気抵抗素子となっているので、金属ナノ粒子をクーロン島とし、クーロンブロッケード現象により高い磁気抵抗比を有するスイッチング機能を実現することができる。
即ち、強磁性金属ナノ微粒子１４をクーロン島とする二重トンネル接合構造においては、電子が第１の電極１２又は第２の電極１３から強磁性金属ナノ粒子１４にトンネルする際に、中間電極の役目を果たす強磁性金属ナノ粒子１４上を単一電子が輸送され、電流値が電子一つ一つに対応した不連続値をとる、いわゆるクーロンブロッケード現象が観察される。このような単一電子素子は、単一電子の振る舞いを検知することが可能であり、非常に高感度なセンサとして動作することができる。さらに今回は電極材料として磁性体を用いることで、電子がトンネルする際にスピン相互作用の影響を受けることになる。

これに対し、従来作製されてきたトンネル抵抗素子は積層構造を有しており、二重トンネル接合は形成可能でも、中間電極のサイズを制御することはできなかった。中間電極のサイズが大きくなると、中間電極と電極１２及び電極１３の間の静電容量が増加することによりクーロンブロッケード現象が観察されにくくなると共に、トンネルする電子の個数も増え、そのためノイズも大きくなる。
よって、図１に示すトンネル接合磁気抵抗素子１０の構造では、中間電極は理想的には強磁性ナノ粒子が１つであるので、クーロンブロッケード現象により電子が一つ一つトンネルし、ノイズが少なくなり、より高い磁気抵抗比を実現することができる。

次に、変形例を説明する。
変形例として、図１に示すトンネル接合磁気抵抗素子１０のように二重トンネル接合を形成しておらず、第１の電極１１か第２の電極１２の何れかのみが強磁性体でなり一重のトンネル接合を形成していてもよい。即ち、第１の電極１２、第２の電極１３の何れか一方を強磁性体、もう一方を非磁性体とする。この場合には、非磁性体の電極は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｍｎなどで形成される。

別の変形例として、一対の電極のうち、例えば第１の電極１１が強磁性金属ナノ粒子１４ａとトンネル接合し、第２の電極１２が強磁性金属ナノ粒子１４ａとトンネル接合していなくてもよい。この場合、トンネル接合していない一方の電極１１又は１２と強磁性金属ナノ粒子１４ａとは導通しているか、又はナノギャップ電極間にナノ粒子が埋め込まれて構成される。

別の変形例として、第１の電極１２及び第２の電極１３の配置方向に対し、交わる方向に、ゲート電極や一対のゲート電極を配置してもよい。ここで、ゲート電極は磁性又は非磁性の何れでも良く、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＮｉＦｅ、ＣｏＰｔＣｒ、ＢａＦｅＯ、ＭｎＡｌ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔ、ＦｅＮｄＢ、ＦｅＰｔ、ＳｍＣｏなどで形成される。

図６は、本発明のトンネル接合磁気抵抗素子３０を模式的に示す図である。本発明のトンネル接合磁気抵抗素子３０は、ギャップを形成する第１の電極１２及び第２の電極１３の配置方向に直交するように、第３の電極としてゲート電極３１を設けて構成される。

図７は、本発明のトンネル接合磁気抵抗素子４０を模式的に示す図である。本発明のトンネル接合磁気抵抗素子４０は、ギャップを形成する第１の電極１２及び第２の電極１３の配置方向に直交するように、第３の電極として第１ゲート電極４１と第４の電極として第２ゲート電極４２を設けて構成される。

このように、ゲート電極３１，４１及び４２を有することで、二重トンネル接合磁気抵抗素子を含んだ単一電子トランジスタ構造を採用し、これにより、ゲート電極３１，４１及び４２に印加する電圧（ゲート電圧）で、磁気抵抗効果の大きさと信号変化の正負を制御することができる。即ち、中間電極となる強磁性金属ナノ粒子１４ａ上の電子数は、第１の電極１２又は第２の電極１３からの電子のトンネル、ゲート電圧の制御により変化する。強磁性金属ナノ粒子１４ａ上に電子が存在する場合、強磁性金属ナノ粒子１４ａ上に次にトンネルしようとする電子に対し静電気力による反発力が存在するため、強磁性金属ナノ粒子１４ａ上に電子が存在しない場合と比べその反発力分だけ余分に電圧を加える必要がある。つまりゲート電極３１，４１及び４２により素子の抵抗や正負を制御することができる。特にゲート電極３１，４１及び４２を磁性体で構成した場合には、ゲート電極３１，４１及び４２からのスピン注入により強磁性金属ナノ粒子１４ａ上の電子スピンの向きを制御することが可能であり、外部磁場だけでなく、ゲート電極による磁気抵抗効果の発現も期待できる。

次に、トンネル磁気抵抗素子１０の製造方法について説明する。
先ず、ナノギャップを有するよう第１の電極１２と第２の電極１３とを形成する。その際、電子ビームリソグラフィー（ＥＢＬ）や光リソグラフィーで数十ｎｍのギャップを形成し、次にギャップ間をめっきで狭めて既定の距離とすることが好ましい。これは、再現性やプロセスの適合性がよく、多数の素子を一度に構築することができるからである。また、電子ビームリソグラフィーで、１０ｎｍ程度のギャップを直接形成しても良い。
ここで、ギャップ間隔は狭い方が好ましい。これは、クーロン島としての強磁性金属ナノ粒子１４ａと第１及び第２の電極１２，１３との静電容量が小さくなり、クーロンブロッケード異方性磁気抵抗素子の温度特性が優れるためである。

次に、第１の電極１２及び第２の電極１３の間に、超常磁性ナノ粒子を配置して埋め込み、その後加熱処理を施すことで、超常磁性ナノ粒子を変態させて強磁性ナノ粒子１４ａとする。強磁性ＦｅＰｔナノ粒子の場合を例に挙げると、第１の手法として、第１の電極１２及び第２の電極１３の間に配置した超常磁性ｆｃｃ−ＦｅＰｔナノ粒子を所定温度、例えば３００〜６００℃程度で熱処理し強磁性に変態させる。その後、保護基１４ｂを含む溶液に浸漬することで、ナノ粒子表面にトンネル層となる保護基１４ｂを配位させる。ここで、ナノギャップ電極間に、塗布法、スプレージェット法、浸漬法、ＬＢ法などによりナノ粒子１４を配置することができる。

第２の手法として、第１の電極１２及び第２の電極１３の間に配置した超常磁性ｆｃｃ−ＦｅＰｔナノ粒子を水素雰囲気下で熱処理することにより、保護基１４ｂを残したまま部分的に規則化した強磁性ＦｅＰｔナノ粒子とする。例えば、４％水素雰囲気下３００℃で熱処理した場合、保磁力は３ｋＯｅ程度である。この場合には、保護基１４ｂを含む溶液に浸漬することは必要としない。

トンネル磁気抵抗素子１０の製造方法の変形例を説明する。
ナノギャップを有するよう第１の電極１２と第２の電極１３とを形成する点は同じであるが、予め作製した強磁性金属ナノ粒子１４を第１の電極１２及び第２の電極１３の間に埋め込む点で異なる。強磁性ＦｅＰｔナノ粒子の場合には、例えばオートクレーブ中４００℃程度で保護基１４ｂを有する金属ナノ粒子１４ａを作製することで、部分的に規則化した強磁性体でなるＦｅＰｔナノ粒子を得ることができる。また、シリカシェル中又はＮａＣｌ微結晶中に超常磁性ｆｃｃ−ＦｅＰｔナノ粒子を閉じ込め、６００℃程度で強磁性に変態させた後、シリカシェル又はＮａＣｌ微結晶を溶解することにより、保護基１４ｂが付いた強磁性ＦｅＰｔナノ粒子１４を得ることができる。このようにして作製した強磁性金属ナノ粒子１４を第１の電極１２及び第２の電極１３の間に配置して埋め込む。このとき、ナノギャップが形成された基板をナノ粒子１４が含まれた溶液中に浸漬したり、ナノギャップが形成された基板上にナノ粒子１４を含む溶液を滴下することで、埋め込みがなされる。

以上により、図１に示すトンネル接合磁気抵抗素子１０を作製することができる。なお、トンネル磁気抵抗素子３０，４０を作製する場合には、第１の電極１２及び第２の電極１３を形成すると同時に又はその後に、第３の電極や第４の電極としてのゲート電極３１，４１及び４２を形成することで、トンネル接合磁気抵抗素子１０と同様に作製することができる。

次に、実施例を説明する。
先ず、リソグラフィー法を用いてナノギャップを有するよう第１の電極１２と第２の電極とを形成した。

次に、温度計、還流冷却器及び窒素導入管を備えた三口フラスコ、鉄アセチルアセトナート（Ｆｅ（ａｃａｃ））３０．７ｍｍｏｌ、白金アセチルアセトナート（Ｐｔ（ａｃａｃ））２０．３０ｍｍｏｌ、オレイン酸５．０ｍｍｏｌ、オレイルアミン０．５ｍｍｏｌ及び１，２−ヘキサデカンジオール１．５ｍｍｏｌを投入し、窒素ガスを流しながら１６０℃に昇温した。続いて３００℃で３０分間攪拌することにより、合金ナノ粒子を合成した。合成した合金ナノ粒子を４００〜６００℃で熱処理することにより、ナノ粒子を強磁性体に変態させた。

図８は、実施例で作製したナノ粒子のＴＥＭ像を示す図である。図から、５．１ｎｍ±０．７ｎｍのＦｅＰｔナノ粒子が形成されていることが分かる。

その後、ナノギャップが形成された基板を、ナノ粒子を含む溶液中に浸漬することで、第１の電極１２及び第２の電極１３のギャップ間に、ナノ粒子１４を配置させ、トンネル接合磁気抵抗素子を得た。

本発明のトンネル接合磁気抵抗素子１０は、将来需要が高まると考えられるｎｍスケールのメモリ・センサへの展開が期待され、分子ナノエレクトロニクスの分野において重要な役割を果たすことが期待される。

本発明のトンネル磁気抵抗素子の構造を模式的に示す図である。 図１に示すトンネル抵抗磁気抵抗素子におけるナノ粒子を模式的に示す図である。 保護基を有するＬ１₀-ＦｅＰｔナノ粒子を模式的に示す図である。 図１に示すトンネル接合磁気抵抗素子を動作させるための回路構成を模式的に示す図である。 図１に示すトンネル接合磁気抵抗素子の動作を示すための説明図である。 本発明のトンネル接合磁気抵抗素子を模式的に示す図である。 本発明のトンネル接合磁気抵抗素子を模式的に示す図である。 実施例で作製したナノ粒子のＴＥＭ像を示す図である。

符号の説明

１０，３０，４０：トンネル抵抗磁気抵抗素子
１１：基板
１１ａ：絶縁層
１１ｂ：導体基板又は半導体基板
１２：第１の電極
１３：第２の電極
１４：ナノ粒子
１４ａ：強磁性金属ナノ粒子
１４ｂ：保護基
１５ａ：第１のトンネル接合
１５ｂ：第２のトンネル接合
２１：可変直流電源
２２：電流計
３１，４１，４２：ゲート電極

Claims (7)

1. 強磁性体からなる第１の電極と、第２の電極と、上記第１の電極及び上記第２の電極間に配置されるナノ粒子とを備え、
   上記ナノ粒子は強磁性金属ナノ粒子の外周に絶縁性を有する保護基を有してなり、
   上記強磁性金属ナノ粒子と上記第１の電極との間にトンネル接合が形成されることを特徴とする、トンネル磁気抵抗素子。
2. 強磁性体からなる第１の電極と、強磁性体からなる第２の電極と、上記第１の電極及び上記第２の電極の間に配置されるナノ粒子と、を備え、
   上記ナノ粒子は強磁性金属ナノ粒子の外周に絶縁性を有する保護基を有してなり、
   上記強磁性金属ナノ粒子と上記第１の電極との間に第１のトンネル接合が形成され、
   上記強磁性金属ナノ粒子と上記第２の電極との間に第２のトンネル接合が形成されることを特徴とする、トンネル磁気抵抗素子。
3. 前記強磁性金属ナノ粒子は、前記トンネル接合で接続される電極と比べ外部磁場に対する保磁力が小さく、該強磁性金属ナノ粒子のスピンの向きが外部磁場により制御され、前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れる電流の大小でスイッチング機能を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のトンネル磁気抵抗素子。
4. 前記強磁性金属ナノ粒子をクーロン島とし、クーロンブロッケード現象により高い磁気抵抗比を有するスイッチング機能を備えることを特徴とする、請求項３に記載のトンネル磁気抵抗素子。
5. 前記強磁性金属ナノ粒子は、前記トンネル接合で接続される電極と比べ外部磁場に対する保磁力が小さく、外部磁場で前記強磁性金属ナノ粒子のスピンの向きが変化することで、前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れる電流の大小に基づいて磁場を検出することを特徴とする、請求項１又は２に記載のトンネル磁気抵抗素子。
6. 前記強磁性金属ナノ粒子は、前記トンネル接合で接続される電極と比べ外部磁場に対する保磁力が大きく、外部磁場で前記第１の電極又は前記第２の電極のスピンの向きが変化することで、前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れる電流の大小に基づいて磁場を検出することを特徴とする、請求項１又は２に記載のトンネル磁気抵抗素子。
7. 前記第１の電極と前記第２の電極との配置方向に対し交わる方向に、ゲート電極を備えることを特徴とする、請求項２に記載のトンネル磁気抵抗素子。