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JP4966483B2 - 磁気抵抗効果素子、および磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッド、記録再生装置、メモリ素子、メモリアレイ、および磁気抵抗効果素子の製造方法 - Google Patents

磁気抵抗効果素子、および磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッド、記録再生装置、メモリ素子、メモリアレイ、および磁気抵抗効果素子の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、ナノメートルオーダーで制御された微細な形状を有する磁気抵抗効果素子、および磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッド、記録再生装置、メモリ素子、メモリアレイ、および磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。
ナノメートルオーダーで物質の構造を制御するナノテクノロジーは、情報通信技術等の基盤技術として重視され、研究開発が活発に行われている。そして近年、ナノメートルオーダーで制御された微細な形状を有する磁気デバイスおよび電子デバイスが提案されている。
磁気デバイスの分野では、従来のＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）膜を用いた磁気抵抗効果素子（非特許文献１）のＭＲ（磁気抵抗変化）比が１０％程度に留まるため、さらに高いＭＲ比を示す磁気抵抗効果素子が求められている。これに対して提案されたＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）膜を用いた磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）は、約５０％程度の高いＭＲ比を示す（非特許文献２）。このＴＭＲ素子の抵抗は、情報記録媒体のトラック幅に比例するＴＭＲ素子幅の２乗に反比例する。従って、トラック幅が狭くなる高記録密度になるほどＴＭＲ素子の幅が狭くなるので、ＴＭＲ素子の抵抗が非常に高くなる。このため、微細な磁気ヘッドへの応用が困難である。
またＴＭＲ膜を用いたメモリ素子である磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ）も提案されているが、このＴＭＲ膜を用いた磁気抵抗メモリのＭＲ比は５０％程度であり、メモリ素子としては不十分である。
そこで、ナノメートルオーダーで制御された微細な形状を有する連結部を電極間に形成して、電子が１回も散乱されずに通り過ぎるバリスティック伝導を連結部において実現する磁気抵抗効果素子を作製する試みがなされている。従来のリソグラフィー技術では、ナノメートルオーダーで制御された微細な形状を形成することは極めて困難であるため、カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴともいう）を用いて、ナノメートルオーダーで制御された微細な連結部を電極間に形成する構成が提案されている（非特許文献３）。非特許文献３には、カーボンナノチューブによって２つの電極を電気的に接続した磁気抵抗効果素子が開示されている。
電子デバイスの分野では、ナノメートルオーダーで制御された微細な形状を有する配線を形成し、このような微細な配線の断面積に対する導電率（コンダクタンス）がステップ状に変化する量子化コンダクタンスという現象を利用して、配線の断面積を制御することにより、配線の断面積に対する導電率が連続的に変化する場合に生じる導電率のばらつきを解消した電子デバイスを得るというアイデアが提案されている。非特許文献４には、このような微細な配線をカーボンナノチューブによって形成した電子デバイスが提案されている。
また、Ｎｉウィスカーを用いたナノコンタクト素子において室温で１００，０００％の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が報告されている（非特許文献５）。
Ｍ．Ｎ．Ｂａｉｂｉｃｈ ｅｔ ａｌ．、「Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．６１」、１９８８年、ｐ２４７２ Ｔ．Ｍｉｙａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．、「Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｍａｔｅｒ．，Ｖｏｌ．１３９」、１９９５年、ｐＬ２３１ 「Ｎａｔｕｒｅ Ｖｏｌ．４０１」、１９９９年、ｐ５７２ 「Ａｄｖ． Ｍａｔｅｒ． Ｖｏｌ．１２」、２０００年 ｐ８９０ 「Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ ６７」、２００３年、ｐ６０４０１ Ｓ．Ｆｒａｎｋ ｅｔ ａｌ．，「Ｓｃｉｅｎｃｅ，２８０」、１９９８年、ｐ１７４４
しかしながら、カーボンナノチューブはカイラリティ（ｃｈｉｒａｌｉｔｙ）に応じて導電性が異なり、形成したカーボンナノチューブが、金属的な特性を示すアームチェア型と、半導体的または絶縁的な特性を示すジグザグ型またはキラル型とのいずれになるかを制御することが困難である。
従って非特許文献３に開示された磁気抵抗効果素子の構成では、２つの電極を連結するために形成したカーボンナノチューブの導電性を制御することができないため、電気特性が安定しない。もし仮に、金属的な導電性を示すアームチェア型にカーボンナノチューブを形成できたとしても、カーボンナノチューブと２つの電極との接触抵抗が、例えば電極がＮｉ電極の場合、１５〜３０ＭΩと極めて高くなる。このため、磁気抵抗効果素子のＭＲ比が極低温で１０％程度に留まり、室温では高いＭＲ比は得られていないという問題がある。
ナノメートルオーダーで制御された微細な配線の断面積を制御して導電率のばらつきがない電子デバイスを得るために、カーボンナノチューブで微細な配線を形成する非特許文献４の構成においても、前述したようにカーボンナノチューブの導電性を制御することができず、電気特性が安定しないという問題があるため、未だ実用化にはほど遠い状態である。また抵抗も１０ｋΩ以上と高い。
非特許文献５のＮｉウィスカーを用いたナノコンタクト素子では、メッキにより形成されるナノコンタクト部が、制御して形成することが困難な複雑な構造となっており、未だ実用的な段階には至っていない。
本発明の目的は、ナノメートルオーダーで制御された微細な形状を有する磁気抵抗効果素子、および磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッド、記録再生装置、メモリ素子、メモリアレイ、および磁気抵抗効果素子の製造方法を提供することにある。
本発明に係る磁気抵抗効果素子は、磁性体を含む第１電極および第２電極と、前記第１電極および前記第２電極上に電気的に接続された金属導体薄膜とを備えた磁気抵抗効果素子であって、前記金属導体薄膜は、前記第１電極および前記第２電極の底面に垂直な方向から見て、前記第１電極および前記第２電極間の隙間をブリッジする金属導体部を含み、前記金属導体部のブリッジ長さＬは、前記磁気抵抗効果素子の作動温度における前記金属導体部中の電子のスピン拡散長と、前記磁気抵抗効果素子の作動温度における前記金属導体部中の電子の平均自由行程Λとの大きい方の値以下であり、前記第１電極の断面積Ｓ１、前記第２電極の断面積Ｓ２および前記金属導体部の断面積Ｓ３は、Ｓ３＜Ｓ１、かつＳ３＜Ｓ２、なる関係を満足し、前記磁気抵抗効果素子は、前記ブリッジ長さＬの隙間を空けて基板上に形成された前記第１電極および前記第２電極と、ナノチューブおよびナノワイヤーからなる群より選択される少なくとも１つを含み、前記底面に垂直な方向から見て、前記第１電極および前記第２電極間の隙間をブリッジする支持体と、前記支持体上、ならびに前記第１電極および前記第２電極上に堆積された前記金属導体薄膜とを備え、前記支持体上の前記金属導体薄膜と前記第１電極および前記第２電極上の前記金属導体薄膜とが連続して形成されていることを特徴とする。
本明細書において「電子のスピン拡散長」とは、電子が磁化状態（アップスピン状態またはダウンスピン状態）を維持しながら進むことができる距離をいう。「電子の平均自由行程Λ」とは、電子が１回も散乱されずに進むことができる距離をいう。
本発明に係る磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果素子の作動温度における金属導体部中の電子のスピン拡散長と、磁気抵抗効果素子の作動温度における金属導体部中の電子の平均自由行程Λとの大きい方の値以下のブリッジ長さＬの隙間を空けて第１電極および前記第２電極を基板上に形成し、ナノチューブおよびナノワイヤーからなる群より選択される少なくとも１つを含み、底面に垂直な方向から見て、第１電極および第２電極間の隙間をブリッジする支持体を形成し、支持体上、ならびに第１電極および第２電極上に金属導体薄膜を堆積させる方法によって金属導体部を形成して製造されるため、ナノチューブおよびナノワイヤーからなる群より選択される少なくとも１つを含む支持体上に、電子のスピン拡散長と電子の平均自由行程Λとの大きい方の値以下のブリッジ長さＬを有する金属導体部を形成することができる。
このようなブリッジ長さＬを有する金属導体部では、電子が１回も散乱されずに金属導体部を通り過ぎるバリスティック伝導という現象が現れる。
本発明の金属導体部は金属によって形成されているため、導電性を制御することができない非特許文献３のカーボンナノチューブと異なり、安定な導電性を有する。また、第１電極および第２電極との接触抵抗が極めて小さくなる。このため、電気特性が安定する。
従って、第１電極および第２電極の磁化方向を制御することにより、バリスティック伝導を利用したＭＲ比が極めて高い磁気抵抗効果素子を得ることができる。
前記第１電極は、外部磁界に対して容易に磁化回転する自由層を含み、前記第２電極は、外部磁界に対して容易に磁化回転しない固定層を含み、前記自由層の磁化容易軸が、検出すべき外部磁界の方向と直交することが好ましい。この構成によれば、磁気抵抗効果素子から出力される信号の線形性を向上させることができる。
自由層について「外部磁界に対して容易に磁化回転する」ことと、固定層について「外部磁界に対して容易に磁化回転しない」こととは、磁気抵抗効果素子に加えられる外部磁界に対して、自由層は磁化回転するが、固定層は磁化回転しないことを意味する。
前記固定層が、反強磁性膜と、前記反強磁性膜上に形成され、前記反強磁性膜によってピンニングされた磁性膜とを含み、前記磁性膜が、前記金属導体部と電気的に接続されることが好ましい。この構成によれば、磁気抵抗効果素子の特性（ＭＲ比）が熱的に安定する。
前記支持体が、カーボンナノチューブを含むことが好ましい。カーボンナノチューブによれば、支持体の微細な形状を容易に制御することができる。引いては金属導体部の微細な形状を所望の形状に精密に制御できる。カーボンナノチューブは、タンパク質ナノワイヤー等の有機物を含む材料に比較して耐熱性が高く、機械的強度も高いので容易に製造することができる。
前記支持体が、自己組織化可能なタンパク質ナノワイヤーとシリコンナノワイヤーとの少なくとも１つを含んでもよい。タンパク質ナノワイヤーのＤＮＡを制御することにより、支持体の微細な形状を精密に制御できる。引いては金属導体部の微細な形状を所望の形状に精密に制御できる。
前記金属導体薄膜が、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群より選択される少なくとも１つを含むことが好ましい。金属導体部に磁壁をより確実にピンニングすることができる。
前記第１電極および前記第２電極が、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群より選択される少なくとも１つを含むことが好ましい。磁気特性が良好な磁気抵抗効果素子を得ることができる。
前記磁気抵抗効果素子の作動温度が、４．２Ｋ以上５２３Ｋ以下であることが好ましい。４．２Ｋ未満であると、磁気抵抗効果素子を冷却するためのシステムが複雑になる傾向、および液体Ｈｅ等の高価な冷却媒体を使用することによるコストが増大する傾向が大きくなる。作動温度が５２３Ｋを超えると、５２３Ｋを超える作動温度で使用可能な周辺機器（本発明の磁気抵抗効果素子と組み合わせて使用される半導体素子、磁気媒体等の周辺機器）が非常に限定される。このため、耐候性（耐熱性等）に優れた周辺機器を使用しなければならなくなる。作動温度が４．２Ｋ以上５２３Ｋ以下であると、高いＭＲ比（特に、１００％以上の高いＭＲ比）を容易かつ確実に得ることができるという本発明の磁気抵抗効果素子の利点を活かしながら、他の周辺機器の性能も十分に発揮させることができ、装置全体としての所望の性能を十分に得ることができる。
本発明に係る磁気ヘッドは、本発明に係る磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の前記第１電極に電気的に接続された第１リード線と、前記磁気抵抗効果素子の前記第２電極に電気的に接続された第２リード線とを備えたことを特徴とする。
本発明に係る磁気ヘッドには、１００％以上の極めて高いＭＲ比を有する本発明に係る磁気抵抗効果素子が設けられている。このため、極めて高い感度と極めて高い出力とを得ることができる。
本発明に係る記録再生装置は、磁気媒体に情報を記録する記録ヘッドと、前記磁気媒体に記録された情報を再生する再生ヘッドとを備えた記録再生装置において、前記再生ヘッドが、本発明に係る磁気ヘッドであることを特徴とする。
本発明に係る記録再生装置には、１００％以上の極めて高いＭＲ比を有する本発明に係る磁気抵抗効果素子が再生ヘッドとして設けられている。このため再生ヘッドの高出力化が可能となり、１００Ｇｂ／ｉｎｃｈ2 以上の極めて高い記録密度で磁気媒体に記録された情報を容易かつ確実に再生することができる。
本発明に係る第１のメモリ素子は、本発明に係る磁気抵抗効果素子を備え、前記磁気抵抗効果素子の前記第１電極は、外部磁界に対して容易に磁化回転する自由層を含み、前記第２電極は、前記外部磁界に対して容易に磁化回転しない固定層を含むメモリ素子であって、電流に基づいて外部磁界を発生して前記自由層および前記固定層の磁化方向を互いに平行または反平行に変化させるワード線と、前記ワード線に前記電流を供給する電流供給器とをさらに備えたメモリ素子であって、前記ワード線から発生した前記外部磁界に基づいて前記磁化方向を互いに平行または反平行に変化させることにより、前記磁気抵抗効果素子に情報が書き込まれ、前記磁気抵抗効果素子の抵抗を測定することにより前記磁気抵抗効果素子に書き込まれた情報が読み出されることを特徴とする。
本発明に係る第１のメモリ素子では、ワード線から発生した外部磁界に基づいて、自由層の磁化方向を反転させることにより、磁気抵抗効果素子に情報が書き込まれる。磁気抵抗効果素子の抵抗を測定することにより磁気抵抗効果素子に書き込まれた情報が読み出される。磁気抵抗効果素子は、本発明に係る磁気抵抗効果素子であるため、ＭＲ比が約約６０％程度である従来の磁気抵抗効果素子が設けられたメモリ素子に比べて極めて高いＭＲ比を実現できる。
本発明に係る第２のメモリ素子は、本発明に係る磁気抵抗効果素子と、前記第１電極から前記第２電極へ向かって前記金属導体部を流れる電流と、前記第１電極から前記第２電極へ向かって前記金属導体部を流れる電流とのいずれかを前記磁気抵抗効果素子に供給する電流供給器とを備えたメモリ素子であって、前記磁気抵抗効果素子の前記金属導体部を流れる電流の方向を反転させて前記第１電極および前記第２電極の磁化方向を平行または反平行に変化させることにより前記磁気抵抗効果素子に情報が書き込まれ、前記第１電極および前記第２電極の磁化方向に応じて異なる前記磁気抵抗効果素子の抵抗値を測定することにより前記磁気抵抗効果素子に書き込まれた情報が読み出されることを特徴とする。
本発明に係る第２のメモリ素子では、磁気抵抗効果素子の金属導体部を流れる電流の方向を反転させて第１電極および第２電極の磁化方向を平行または反平行に変化させることにより磁気抵抗効果素子に情報が書き込まれ、第１電極および第２電極の磁化方向に応じて異なる磁気抵抗効果素子の抵抗値を測定することにより磁気抵抗効果素子に書き込まれた情報が読み出される。磁気抵抗効果素子は、本発明に係る磁気抵抗効果素子であるため、ＭＲ比が最大で約６０％の従来の磁気抵抗効果素子が設けられたメモリ素子に比べて極めて高いＭＲ比を実現できる。本発明に係る第１のメモリ素子のようにワード線を構成要素として必要としないので、小型化し易いシンプルな構成となり、面積が狭く、設置スペースが小さい高密度のメモリ素子を実現することができる。
前記電流供給器によって前記磁気抵抗効果素子に供給される前記電流の電流密度が、１．０×１０5 Ａ／ｃｍ2 以上であることが好ましい。電流密度が、１．０×１０5 Ａ／ｃｍ2 以上であると、容易かつ確実に磁気抵抗効果素子に情報を書き込むことができる。電流密度が、１．０×１０5 Ａ／ｃｍ2 未満であると、確実に情報を書き込むことができない。
本発明に係るメモリアレイは、マトリックス状に配置された本発明に係る磁気抵抗効果素子と、各磁気抵抗効果素子に独立に情報を書き込み、情報を読み出すための配線と、各磁気抵抗効果素子の前記金属導体部を流れる電流の方向を反転させて前記第１電極および前記第２電極の磁化方向を平行または反平行に変化させることにより前記磁気抵抗効果素子に前記配線を介して独立に情報を書き込む書き込み器と、前記第１電極および前記第２電極の磁化方向に応じて異なる各磁気抵抗効果素子の抵抗値を測定することにより前記磁気抵抗効果素子に書き込まれた情報を前記配線を介して独立に読み出す読み出し器とを備えたことを特徴とする。
本発明に係るメモリアレイには、本発明に係る第２のメモリ素子の磁気抵抗効果素子が複数個設けられている。そして、本発明の第２のメモリ素子と同様にワード線を必要としない。このため、小型化し易いシンプルな構成となり、面積が狭く、設置スペースが小さい高密度のメモリアレイを実現することができる。
本発明に係る磁気抵抗効果素子の製造方法は、磁性体を含む第１電極および第２電極を隙間Ｌを空けて基板上に形成する工程と、ナノチューブおよびナノワイヤーからなる群より選択される少なくとも１つを含み、前記第１電極および前記第２電極の底面に垂直な方向から見て、前記第１電極および前記第２電極間の隙間をブリッジする支持体を形成する工程と、前記支持体上、ならびに前記第１電極および前記第２電極上に連続させて金属導体薄膜を堆積させる方法により、前記第１電極および前記第２電極の底面に垂直な方向から見て、前記第１電極および前記第２電極間の隙間をブリッジする金属導体部を形成する工程とを含む磁気抵抗効果素子の製造方法であって、前記隙間Ｌは、前記磁気抵抗効果素子の作動温度における前記金属導体部中の電子のスピン拡散長と、前記磁気抵抗効果素子の作動温度における前記金属導体部中の電子の平均自由行程Λとの大きい方の値以下であり、前記第１電極の断面積Ｓ１、前記第２電極の断面積Ｓ２および前記金属導体部の断面積Ｓ３は、Ｓ３＜Ｓ１、かつＳ３＜Ｓ２、なる関係を満足することを特徴とする。
このため、ナノチューブおよびナノワイヤーからなる群より選択される少なくとも１つを含む支持体上に、電子のスピン拡散長と電子の平均自由行程Λとの大きい方の値以下のブリッジ長さＬを有する金属導体部を形成することができる。
このようなブリッジ長さＬを有する金属導体部では、電子が１回も散乱されずに金属導体部を通り過ぎるバリスティック伝導という現象が現れる。
本発明の金属導体部は金属によって形成されているため、導電性を制御することができない非特許文献３のカーボンナノチューブと異なり、安定な導電性を有する。また、第１電極および第２電極との接触抵抗が極めて小さくなる。このため、電気特性が安定する。
従って、第１電極および第２電極の磁化方向を制御することにより、バリスティック伝導を利用したＭＲ比が極めて高い磁気抵抗効果素子を製造することができる。
前記支持体が、カーボンナノチューブを含み、
前記支持体を形成する工程は、前記カーボンナノチューブの形成反応を促進する触媒を前記第１電極および前記第２電極上に設け、前記カーボンナノチューブを含む支持体を化学気相成長法（ＣＶＤ）により形成することが好ましい。カーボンナノチューブを容易に形成することができる。
前記支持体を形成する工程は、互いに異なる電圧を前記第１電極および前記第２電極にそれぞれ印加しながら前記カーボンナノチューブを含む前記支持体を形成することが好ましい。第１電極および第２電極間に電界を形成することにより、カーボンナノチューブを容易に形成することができる。
前記触媒がＦｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群より選択される少なくとも１つを含むことが好ましい。Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉは磁性体であるため、磁性体の第１および第２電極中に製造後に残留しても、電気特性及び磁気特性を低下させることがない。
前記金属導体部を形成する工程は、物理的気相成長法（ＰＶＤ）により前記金属導体薄膜を堆積させることが好ましい。物理的気相成長法によれば、金属導体部を容易に形成できる。
本発明によれば、ナノメートルオーダーで制御された微細な形状を有する磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッド、記録再生装置、メモリ素子、メモリアレイ、および磁気抵抗効果素子の製造方法を提供することができる。
（実施の形態１）
図１Ａは実施の形態１に係る電子デバイス１００の平面図であり、図１Ｂは図１Ａの断面１Ｂ−１Ｂに沿った断面図であり、図１Ｃは図１Ｂの断面１Ｃ−１Ｃに沿った断面図である。
電子デバイス１００は、基板８上に形成された直方体形状の電極２および３を備える。電極２および３は、互いに対向する対向面５および６をそれぞれ有する。電極２および３の材料は、金属または合金が望ましい。
電子デバイス１００には、電極２の対向面５と電極３の対向面６とをブリッジするカーボンナノチューブからなる円柱状の支持体４が設けられる。カーボンナノチューブは単層ナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）でも多層ナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）でも良い。
電子デバイス１００は、電極２および電極３上に電気的に接続された金属導体薄膜７を有する。金属導体薄膜７は、金属導体部１を含む。金属導体部１は、電極２および電極３の底面に垂直な方向から見て、電極２および電極３間の隙間を支持体４に沿ってブリッジする。金属導体部１のブリッジ長さＬは、電子デバイス１００の作動温度における金属導体部１中の電子の平均自由行程Λ以下である。
金属導体部１中の電子の平均自由行程Λの値は、電子デバイス１００の作動温度、および電子デバイスに実際に使用される金属導体部１の材料に応じて異なる。純粋なＡｕ、ＡｇおよびＣｕでは電子の平均自由行程Λは１００ｎｍ以上であるが、純粋なＦｅ、ＣｏおよびＮｉ等では１０ｎｍ程度のオーダーとなる。金属導体部１の材料に不純物が含まれる場合には、金属導体部１中の電子の平均自由行程は純粋な材料での平均自由行程よりも短くなる。従って、金属導体部１のブリッジ長さＬは、金属導体部１の化学組成に応じて、例えば１ｎｍ〜１０００ｎｍになる。
電子デバイス１００の作動温度は、４．２Ｋ以上５２３Ｋ以下であることが好ましい。また、電子デバイス１００の冷媒として液体Ｈｅの替わりに液体Ｎ2 を使用することができ、製造コスト及びランニングコストを低減できるという観点から、作動温度は７７Ｋ以上５２３Ｋ以下であることがより好ましい。さらに、本実施の形態の電子デバイス１００と、他の電子デバイス（例えば、半導体素子、磁気媒体等）との組み合わせによる装置を構成する場合に、本実施の形態の電子デバイス１００以外に他の電子デバイスの作動温度をさらに考慮する必要がある場合には、作動温度が２７３Ｋ以上５２３Ｋ以下であってもよい。
このように構成された電子デバイス１００の製造方法を説明する。図１Ｄおよび図１Ｅは電子デバイス１００の製造方法を説明する断面図である。まず、ブリッジ長さＬの隙間を空けて電極２および電極３を基板８上に形成する。そして、カーボンナノチューブの形成反応を促進する触媒９を電極２および電極３上に設ける。次に、カーボンナノチューブを化学気相成長法（ＣＶＤ）等により各触媒９から成長させて電極２および電極３間をブリッジさせ、支持体４を形成する。
その後、支持体４上、ならびに電極２および電極３上に金属導体薄膜７を蒸着法等により堆積させることにより、金属導体部１を支持体４に沿って形成して図１Ａ〜図１Ｃに示す電子デバイス１００を完成する。
金属導体薄膜７の形成が終了すると、触媒９と金属導体薄膜７との接合界面および触媒９と電極２および電極３との接合界面は不明確となり、触媒９は金属導体薄膜７または電極２および電極３と一体化する。
このようにして、電子の平均自由行程Λ以下のブリッジ長さＬを有する金属導体部１を備えた電子デバイス１００を製造できる。この電子デバイス１００では金属導体部１が、両電極２および３間の電気伝導を担う。この金属導体部１は、金属によって形成されている。このため、導電性を制御することができない非特許文献４のカーボンナノチューブと異なり、金属導体部１は安定な導電性を有する。また金属導体部１を含む金属導体薄膜７が金属によって形成されているため、非特許文献４のカーボンナノチューブと異なり、電極２および電極３との接触抵抗が極めて小さくなる。このため、電気特性が安定し、カーボンナノチューブと電極との間に生じる大きな接触抵抗の課題が解決される。
以下、金属導体部１のブリッジ長さＬを具体的に求める方法を説明する。図２Ａは金属導体部のブリッジ長さＬを求める方法を説明するための電子デバイス１００の断面図であり、図２Ｂはブリッジ長さＬを求める方法を説明するための電子デバイス１００の正面図であり、図２Ｃはブリッジ長さＬを求めるためのグラフである。前述したように「金属導体部のブリッジ長さＬ」とは、金属導体部の中心軸に沿った電子デバイスの断面積が急激に減少する点Ｐ１から急激に増大する点Ｐ２までの中心軸に沿った長さをいう。
まず、同一の条件で製造され、金属導体部１の形状及び大きさが同一な同一規格の電子デバイス１００を複数個用意する。複数個の電子デバイス１００の金属導体部１の形状及び大きさが同一か否かは、ＴＥＭ（透過型顕微鏡）による写真撮影等の分析技術により確認することができる。
次に、複数個の電子デバイス１００の１つを用いて、金属導体部１と電極２および３上の金属導体薄膜７とを同時に含む断面が得られるように、その電子デバイス１００をＳＴＭ（走査トンネル顕微鏡）または３次元ＴＥＭにより切断する。図２Ａは、この切断によって得られた断面形状の一例を示している。
そして、得られた断面に基づいて、金属導体部１の中心軸Ｘを求める。中心軸Ｘは、金属導体部１の断面形状に応じて定める。図２Ａに示す例では、金属導体部１の断面が長方形であり、中心軸Ｘは、長方形の電極２側の辺の中点と電極３側の辺の中点とを結ぶ１本の直線となる。
次に、複数個の電子デバイス１００の少なくとも他の１つを用いて、中心軸Ｘに垂直な断面に沿った電子デバイス１００の断面積Ｓを中心軸Ｘに沿って求める。例えば、中心軸Ｘに垂直な断面に沿って、ＳＴＭ等により電子デバイス１００を切断する。そして、ＳＴＭ、３次元ＴＥＭ等の顕微鏡写真撮影を用いた形状分析技術または画像データ解析技術等により、切断して得られた断面の断面積Ｓを得る。このようにして断面積Ｓのデータを中心軸Ｘに沿って求め、横軸を中心軸Ｘ、縦軸を断面積Ｓとする図２Ｃに示すグラフを作成する。
その後、作成したグラフにおいて、断面積Ｓが中心軸Ｘに沿って急激に減少する点Ｐ１と、急激に増大する点Ｐ２とを求める。点Ｐ１を境に電極２の断面積が断面積Ｓに含まれなくなる結果、点Ｐ１において断面積Ｓは急激に減少する。点Ｐ２を境に電極３の断面積が断面積Ｓに含まれるようになる結果、点Ｐ２において断面積Ｓは急激に増大する。例えば図２Ｃに示すグラフでは、不連続的に断面積Ｓが減少する点Ｐ１と不連続的に断面積Ｓが増大する点Ｐ２とが求められる。
そして、点Ｐ１と点Ｐ２との中心軸Ｘに沿った長さを、金属導体部１のブリッジ長さＬとする。
図２Ｄは金属導体部のブリッジ長さＬを求める方法を説明するための他の電子デバイス１００Ｐの断面図であり、図２Ｅはその正面図であり、図２Ｆはブリッジ長さＬを求めるための他のグラフである。図２Ｄに示すように、電子デバイス１００Ｐの電極２Ｐ、３Ｐ、金属導体薄膜７Ｐおよび金属導体部１Ｐの断面形状の輪郭は、図２Ａ〜図２Ｃで示した例とは異なり、曲線を含む。
図２Ａ〜図２Ｃで前述した例と同様にして、中心軸Ｘを定め、中心軸Ｘに沿って断面積Ｓを求め、図２Ｆに示す断面積Ｓのグラフを作成する。そして、断面積Ｓが中心軸Ｘに沿って急激に減少する点Ｐ１と急激に増大する点Ｐ２とを求め、点Ｐ１と点Ｐ２との中心軸Ｘに沿った長さを金属導体部のブリッジ長さＬとする。金属導体部１Ｐおよび金属導体薄膜７Ｐの断面形状の輪郭は曲線を含んでいるが、断面積Ｓが急激に減少する点Ｐ１と急激に増大する点Ｐ２とが図２Ａ〜図２Ｃに示す例と同様にグラフ上に現れるので、点Ｐ１と点Ｐ２との中心軸Ｘに沿ったブリッジ長さＬを求めることができる。
なお図２Ｇおよび図２Ｈに示すように、作成したグラフにおいて、形成された金属導体部の形状および電極の形状に応じて、明確な不連続点が現れず、断面積Ｓが連続的に変化する可能性もあるが、この場合は、断面積Ｓが急激に減少する領域での変曲点Ｄ１に対応する点を点Ｐ１とし、断面積Ｓが急激に増大する領域での変曲点Ｄ２に対応する点を点Ｐ２として、金属導体部１のブリッジ長さＬを求める。
図２Ｉ〜図２Ｕは、金属導体部１の各種断面形状と中心軸Ｘとを示す図である。金属導体部１の断面は、図２Ｉ〜図２Ｕに示すように種々の形状に形成され得る。中心軸Ｘは、前述したように金属導体部の断面形状に応じて定められる。図２Ｉ〜図２Ｕにおいて、紙面左側が電極２側を示し、紙面右側が電極３側を示すものとする。
金属導体部は、２つの底面と、この２つの底面間に形成される柱状の側面とを有する形状を呈する。そして、本実施の形態における金属導体部の断面形状は、例えば、以下の［ａ］〜［ｇ］のうちの何れかの条件を満たし得る。
すなわち、前述した金属導体部の断面形状において、金属導体部の外縁を表す線（長手方向の２本の線）が、
［ａ］：幅（短手方向の長さ）が一定の直線、
［ｂ］：電極２側から電極３側へ向かって幅（短手方向の長さ）が単調に減少する曲線又は直線、
［ｃ］：電極３側から電極２側へ向かって幅（短手方向の長さ）が単調に減少する曲線又は直線、
［ｄ］：上記［ｂ］及び上記［ｃ］の組み合わせ、
［ｅ］：上記［ａ］及び上記［ｂ］の組み合わせ、
［ｆ］：上記［ａ］及び上記［ｃ］の組み合わせ、
［ｇ］：上記［ａ］、上記［ｂ］及び上記［ｃ］の組み合わせ、
のうちの何れかである。
図２Ｉ〜図２Ｕに上述の［ａ］〜［ｇ］の条件を満たす形状の金属導体部１のみの断面形状を例示する。図２Ｉに示す金属導体部１の断面形状は、図１Ａ〜図１Ｃで前述した金属導体部１の断面形状に相当し、条件［ａ］を満足する。図２Ｊに示す断面形状は、図２Ｄ、図２Ｅで前述した金属導体部１Ｐの断面形状に相当し、条件［ｄ］を満足する。図２Ｋに示す断面形状は、条件［ｇ］を満足する。図２Ｌに示す断面形状は、条件［ｄ］を満足する。
図２Ｍは条件［ｆ］を満足する。図２Ｎおよび図２Ｏはいずれも条件［ｃ］を満足する。図２Ｐおよび図２Ｑはいずれも条件［ｆ］を満足する。図２Ｒは条件［ｃ］を満足する。図２Ｓおよび図２Ｔは、いずれも条件［ｄ］を満足する。図２Ｕは条件［ｇ］を満足する。
本実施の形態における金属導体部の底面の形状は特に限定されない。また、２つの底面（電極２側の面と電極３側の面）の形状及び大きさは同一であってもよく異なっていてもよい。更に、２つの底面間に形成される側面は平面でもよく、曲面でもよく、平面及び曲面を併有するものであってもよい。
更に、安定した性能をより確実に得る観点から、本実施の形態における柱状の金属導体部は、以下の［ｈ］〜［ｌ］の条件を全て同時に満たす形状を呈するものであることが好ましい。すなわち、
［ｈ］２つの底面が同一の形状を有している。
［ｉ］２つの底面が同一の面積を有している。
［ｊ］２つの底面が互いに平行である。
［ｋ］金属導体部の中心軸が直線となる。
［ｌ］上記［ｋ］における中心軸に垂直な面でありかつ該中心軸の中点を含む面に対して、２つの底面が面対象の関係を有している。
上述の［ｈ］〜［ｌ］で表現される条件を全て同時に満たす形状を呈する柱状の金属導体部としては、例えば、図２Ｉ〜図２Ｌに示す断面形状を有するものが挙げられる。
金属導体部１の中心軸Ｘは通常は１本の直線であるが、図２Ｐに示す断面形状の金属導体部１の中心軸Ｘは、２本の直線の組み合わせによって定められ、図２Ｒに示す断面形状の金属導体部１の中心軸Ｘは、直線と曲線との組み合わせによって定められる。図２Ｏ、図２Ｓおよび図２Ｔに示す断面形状の金属導体部１の中心軸Ｘは、曲線によって定められる。
また、２つの底面間に形成された側面に、凹部、凸部のうちの少なくとも１つがＳＴＭなどの加工技術により形成されていてもよい。ただし、この場合には、凹部、凸部を形成する以前の金属導体部（又は凹部、凸部が形成されていないと仮想した場合の金属導体部）の断面形状が上記の［ａ］〜［ｇ］のうちの何れかの形状を呈することが好ましい。
支持体４は、上述の金属導体部１を形成可能な形状であれば、その形状は特に限定されない。
本実施の形態に係る電子デバイス１００では、電気伝導を担う金属導体部１のブリッジ長さＬが、電子デバイス１００の作動温度における金属導体部１中の電子の平均自由行程Λ以下である。このため、電子が１回も散乱されずに金属導体部１を通り過ぎるバリスティック伝導という現象と、金属導体部１の断面積に対する導電率（コンダクタンス）がステップ状に変化する量子化コンダクタンスという現象とが観測される。本実施の形態の電子デバイスにおいては、金属導体部のサイズが、カーボンナノチューブの上に金属導体部を形成することにより、ナノメートルオーダーとなり、比較的高温でもバリスティック伝導および量子化コンダクタンスの観測が可能となる。
金属導体部１における量子化コンダクタンスを利用すると、金属導体部１の断面積を制御することにより、金属導体部１の断面積に対する導電率が連続的に変化する場合に生じる導電率の量産上におけるばらつきを解消した電子デバイスを得ることができる。
図１Ａにおいて、金属導体部１の近傍にゲ−ト部を設け、磁性膜によって形成した電極２および３をソ−スおよびドレインとすればスピントランジスタを実現出来る。また、金属導体部１と支持体４とを電極２および３から切り離せば、ク−ロンブロケ−ド現象を利用した単電子トランジスタを実現出来る。
図１Ａ〜図１Ｃに示す電子デバイス１００において、少なくとも電極２および３を磁性体によって構成すれば、金属導体部１におけるバリスティック伝導を利用することにより、両電極２および３の磁化方向に応じて磁気抵抗が変化するＭＲ比が高いスピンエレクトロニクスデバイス（磁気抵抗効果素子）となる。この場合、金属導体部１のブリッジ長さＬは、磁気抵抗効果素子の作動温度における金属導体部中の電子のスピン拡散長と、磁気抵抗効果素子の作動温度における金属導体部中の電子の平均自由行程Λとの大きい方の値以下である。
通常の材料では、電子のスピン拡散長が電子の平均自由行程Λよりも大きい。例えばＣｏでは、電子のスピン拡散長が５０ｎｍ程度で、電子の平均自由行程Λが５ｎｍである。従って、金属導体部１のブリッジ長さＬは通常は電子のスピン拡散長以下にすればよい。但し、例えばＮｉのように、電子の平均自由行程Λが電子のスピン拡散長よりも大きい材料もあるので、そのような材料で金属導体部１を形成する場合は、ブリッジ長さＬは電子の平均自由行程Λ以下にすればよい。なお、電子のスピン拡散長と電子の平均自由行程Λとが等しい場合には、ブリッジ長さＬを、その等しい値以下にすればよい。
金属導体部１および支持体４を電極２および３から切り離せば、上述のク−ロンブロケ−ド現象のみならず、切り離された金属導体部１と電極２および３とのスピン状態に応じたスピンブロケ−ド現象を利用したスピンエレクトロニクスデバイスを実現出来る。
電極２および３を磁性体で構成するときは、触媒９は、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれた少なくとも１つの元素を含有する金属・合金粒あるいは膜を用いることが望ましい。ＣＶＤ法等によりカーボンナノチューブを形成する際に、ＣＨ４等を分解して生じた炭素（Ｃ）がカーボンナノチューブとなって成長することをこれらの触媒が促進すると考えられる。
また上記の方法で電子デバイスを形成した後、カーボンナノチューブからなる支持体４を取り除いてもよい。支持体４は、酸素アッシャーにより選択的に取り除くことができる。また支持体４にレーザを照射して支持体４を取り除いてもよい。ただし強度の観点から支持体４を残してもよい。さらに、上記の方法で電子デバイスを形成した後、基板８を取り除いてもよい。特にＣＮＴを基 板８に用いた場合、基板８のＣＮＴが導体、半導体および絶縁体の３種類の特性を示すため、ＣＮＴで構成された基板８を除去することにより、電子デバイスの電気特性がより一層安定する。
図３Ａは実施の形態１に係るさらに他の電子デバイス１００Ａの平面図であり、図３Ｂは図３Ａの断面３Ｂ−３Ｂに沿った断面図であり、図３Ｃは図３Ｂの断面３Ｃ−３Ｃに沿った断面図である。図１Ａ〜図１Ｅで前述した構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明は省略する。
支持体は、両電極の表面上に形成してもよい。電子デバイス１００Ａの支持体４Ａは、電極２の表面上および電極３の表面上に形成され、電極２および電極３の底面に垂直な方向から見て、電極２および電極３間の隙間をブリッジする。電子デバイス１００Ａの金属導体薄膜７Ａは、電極２および３上に形成される。金属導体薄膜７Ａは、電極２および電極３の底面に垂直な方向から見て、電極２および電極３間の隙間を支持体４Ａに沿ってブリッジする金属導体部１Ａを含む。金属導体部１Ａのブリッジ長さＬは、電子デバイス１００Ａの作動温度における金属導体部１Ａ中の電子の平均自由行程Λ以下である。このように構成された電子デバイス１００Ａも、前述した電子デバイス１００と同様の効果を奏する。
図３Ｄは実施の形態１に係るさらに他の電子デバイス１００Ｂの平面図であり、図３Ｅは図３Ｄの断面３Ｅ−３Ｅに沿った断面図であり、図３Ｆは図３Ｅの断面３Ｆ−３Ｆに沿った断面図である。図１Ａ〜図１Ｅで前述した構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明は省略する。
電極は、３角柱形状であってもよい。電子デバイス１００Ｂは、３角柱形状の電極２Ｂおよび３Ｂを備える。電極２Ｂおよび３Ｂは、それらの底面に垂直な方向から見て、それらの表面の頂点が互いに対向する位置に形成される。電子デバイス１００Ｂの支持体４Ｂは、３角柱形状の電極２Ｂと電極３Ｂとの隙間をブリッジする。電子デバイス１００Ｂの金属導体薄膜７Ｂは、電極２Ｂおよび電極３Ｂの底面に垂直な方向から見て、電極２Ｂおよび電極３Ｂ間の隙間を支持体４Ｂに沿ってブリッジする金属導体部１Ｂを含む。金属導体部１Ｂのブリッジ長さＬは、金属導体部１Ｂ中の電子の平均自由行程Λ以下である。このように構成された電子デバイス１００Ｂも、前述した電子デバイス１００と同様の効果を奏する。
図３Ｇは実施の形態１に係るさらに他の電子デバイス１００Ｃの平面図であり、図３Ｈは図３Ｇの断面３Ｈ−３Ｈに沿った断面図であり、図３Ｉは図３Ｈの断面３Ｉ−３Ｉに沿った断面図である。電極は、円柱形状であってもよい。電子デバイス１００Ｃは、円柱形状の電極２Ｃおよび３Ｃを備える。電子デバイス１００Ｃの支持体４Ｃは、電極２Ｃと電極３Ｃとの隙間をブリッジする。電子デバイス１００Ｃは、金属導体部１Ｃを含む金属導体薄膜７Ｃを有する。金属導体部１Ｃのブリッジ長さＬは、金属導体部１Ｃ中の電子の平均自由行程Λ以下である。このように構成された電子デバイス１００Ｃも、前述した電子デバイス１００と同様の効果を奏する。
図３Ｊは実施の形態１に係るさらに他の電子デバイス１００Ｄの平面図であり、図３Ｋは図３Ｊの断面３Ｋ−３Ｋに沿った断面図であり、図３Ｌは図３Ｋの断面３Ｌ−３Ｌに沿った断面図である。両電極の両対向面を直接ブリッジする金属導体を形成してもよい。電子デバイス１００Ｄには、電極２の対向面５と電極３の対向面６とをブリッジするカーボンナノチューブからなる円柱状の支持体４と、電極２の対向面５および電極３の対向面６を支持体４に沿って直接ブリッジする金属導体１Ｄとが設けられる。電極２および電極３の表面には、金属導体薄膜７Ｄが金属導体１Ｄと分離して形成される。金属導体１Ｄのブリッジ長さＬは、金属導体部１Ｄ中の電子の平均自由行程Λ以下である。このように構成された電子デバイス１００Ｄも、前述した電子デバイス１００と同様の効果を奏する。
（実施の形態２）
図４Ａは実施の形態２に係る磁気抵抗効果素子２００の平面図であり、図４Ｂはその正面図であり、図４Ｃは図４Ｂの断面４Ｃ−４Ｃに沿った断面図である。実施の形態１で前述した構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
磁気抵抗効果素子２００は、磁性体によって構成された電極２Ｅおよび３Ｅを備える。電極２Ｅおよび３Ｅは、互いに対向する対向面５Ｅおよび６Ｅをそれぞれ有する。電極２Ｅおよび３Ｅは、幅Ｄが対向面５Ｅおよび６Ｅに向かってそれぞれ幅ｄに減少する湾曲部を含む。
磁気抵抗効果素子２００には、電極２Ｅの対向面５Ｅと電極３Ｅの対向面６Ｅとをブリッジするカーボンナノチューブからなる円柱状の支持体４Ｅが設けられる。
磁気抵抗効果素子２００は、電極２Ｅおよび電極３Ｅ上に電気的に接続された金属導体薄膜７Ｅを有する。金属導体薄膜７Ｅは、磁性体を含むことが好ましい。金属導体薄膜７Ｅは、金属導体部１Ｅを含む。金属導体部１Ｅは、電極２Ｅおよび電極３Ｅの底面に垂直な方向から見て、電極２Ｅおよび電極３Ｅ間の隙間を支持体４Ｅに沿ってブリッジする。金属導体部１Ｅのブリッジ長さＬは、磁気抵抗効果素子２００の作動温度における金属導体部１Ｅ中の電子のスピン拡散長と、磁気抵抗効果素子２００の作動温度における金属導体部１Ｅ中の電子の平均自由行程Λとの大きい方の値以下である。
電極２Ｅの断面積Ｓ１、電極３Ｅの断面積Ｓ２および金属導体部１Ｅの断面積Ｓ３は、
Ｓ３＜Ｓ１、かつＳ３＜Ｓ２、
なる関係を満足する。このように金属導体部の断面積Ｓ３を電極の断面積Ｓ１およびＳ２よりも小さくすると、金属導体部１Ｅを磁性体で構成した場合に、金属導体部１Ｅに磁壁をピンニングし易くすることが出来る。また、金属導体部１Ｅが磁性体でない場合も、金属導体部の断面積Ｓ３を電極の断面積Ｓ１およびＳ２よりも小さくすると、磁気抵抗素子の抵抗の主要部分を金属導体部１Ｅが担うようにすることができる。ここで、断面積Ｓ１、Ｓ２およびＳ３は、実施の形態１で前述したブリッジ長さＬの決定に用いる金属導体部の中心軸Ｘに垂直な断面に沿った断面積である。
このように構成された磁気抵抗効果素子２００の製造方法を説明する。まず、ブリッジ長さＬの隙間を空けて磁性体を含む電極２Ｅおよび電極３Ｅを基板８上に形成する。そして、カーボンナノチューブの形成反応を促進する触媒を電極２Ｅおよび電極３Ｅ上に設ける。次に、カーボンナノチューブを化学気相成長法（ＣＶＤ）等により各触媒から成長させて電極２Ｅおよび電極３Ｅ間をブリッジさせ、支持体４Ｅを形成する。その後、支持体４Ｅ上、ならびに電極２Ｅおよび電極３Ｅ上に金属導体薄膜７Ｅを蒸着法等により堆積させ、金属導体部１Ｅを形成して磁気抵抗効果素子２００を完成する。
このように、カーボンナノチューブの支持体４Ｅ上に金属導体薄膜７Ｅを堆積させることによって、電子のスピン拡散長と電子の平均自由行程Λとの大きい方の値以下のブリッジ長さＬを有する金属導体部１Ｅを形成することができる。
この金属導体部１Ｅが、電極２Ｅおよび電極３Ｅ間の電気伝導を担う。この金属導体部１Ｅは、金属によって形成されている。従って、導電性を制御することができない非特許文献４のカーボンナノチューブと異なり、金属導体部１Ｅは安定な導電性を有する。また金属導体部１Ｅを含む金属導体薄膜７が金属によって形成されているため、非特許文献４のカーボンナノチューブと異なり、電極２Ｅおよび電極３Ｅとの接触抵抗が極めて小さくなる。このため、電気特性が安定し、カーボンナノチューブと電極との間に生じる大きな接触抵抗の課題が解決される。
電子のスピン拡散長と電子の平均自由行程Λとの大きい方の値以下のプリッジ長さＬを有する金属導体部１Ｅでは、電子が１回も散乱されずに金属導体部１Ｅを通り過ぎるバリスティック伝導という現象が観測される。バリスティック伝導を利用すると、電極２Ｅおよび電極３Ｅの磁化方向を制御することにより、ＭＲ比が極めて高い磁気抵抗効果素子を得ることができる。
図４Ｄおよび図４Ｅは、金属導体部１Ｅに磁性体を用いた場合の磁気抵抗効果素子２００の作用を説明するための平面図である。図４Ｄに示すように電極３Ｅの磁化方向Ｊ２が外部磁界Ｈにより電極２Ｅの磁化方向Ｊ１に対して反平行になっている場合は、金属導体部１Ｅに磁壁がピンニングされるため、電子は磁壁で散乱され高抵抗となる。図４Ｅに示すように電極３Ｅの磁化方向Ｊ２が外部磁界Ｈにより電極２Ｅの磁化方向Ｊ１に対して平行になっている場合は、磁壁は金属導体部１Ｅから消滅するので、磁壁による電子の散乱が生じないため低抵抗となる。
電子のスピン拡散長と電子の平均自由行程との大きい方の値以下のブリッジ長さを有する金属導体部１Ｅでは、電子が１回も散乱されずに金属導体部１Ｅを通り過ぎるバリスティック伝導が生じるので、図４Ｄの反平行状態での両電極２Ｅ、３Ｅ間の電気抵抗と、図４Ｅの平行状態での両電極２Ｅ、３Ｅ間の電気抵抗との差が極めて大きくなる。その結果、従来のＧＭＲ素子よりも極めて大きい１００％以上の巨大なＭＲ比を示す磁気抵抗効果素子が実現される。
なお、金属導体部１Ｅを非磁性体で構成した場合には、金属導体部１Ｅに磁壁が生じないが、従来のＧＭＲ素子と同様に両電極２Ｅおよび３Ｅの磁化方向が互いに平行な場合にはスピン散乱が生じずに低抵抗となり、互いに反平行の場合はスピン散乱が生じて高抵抗となる。そして、この場合も従来のＧＭＲ素子と異なり、金属導体部１Ｅにおいてバリスティック伝導が生じるため従来のＧＭＲ素子よりも大きなＭＲ比が得られる。
また、両電極に磁性体を用いず、金属導体部１Ｅにのみ磁性体を用いた場合は、金属導体部１Ｅに凹部を形成して磁壁をトラップして高抵抗状態としておき、両電極２Ｅおよび３Ｅの一方からある一定のしきい値以上の電流を流すことにより磁壁を消滅させて低抵抗状態として大きなＭＲ比を得ることができる。
電極２Ｅおよび３Ｅ及び金属導体部１Ｅに用いる磁性体は、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選択される少なくとも１つを含有する材料によって構成することが好ましい。
なお、互いに異なる電圧を電極２Ｅおよび電極３Ｅにそれぞれ印加しながら、カ−ボンナノチュ−ブを成長させると、カ−ボンナノチュ−ブの成長方向をより容易に制御することができる。触媒は、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選択される少なくとも１つを含むことが好ましい。
（実施の形態３）
図５Ａは実施の形態３に係る磁気ヘッド３００の平面図であり、図５Ｂはその正面図である。実施の形態１および２で前述した構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
磁気ヘッド３００は、磁気抵抗効果素子２００Ａを備える。磁気抵抗効果素子２００Ａは、磁性体によって構成された電極２Ｆおよび３Ｆを含む。電極２Ｆおよび３Ｆは、互いに対向する対向面５Ｆおよび６Ｆをそれぞれ有する。電極２Ｆおよび３Ｆは、幅Ｄが対向面５Ｆおよび６Ｆに向かってそれぞれ幅ｄに減少する湾曲部を含む。
磁気抵抗効果素子２００Ａには、電極２Ｆの対向面５Ｆと電極３Ｆの対向面６Ｆとをブリッジするカーボンナノチューブからなる円柱状の支持体４Ｆが設けられる。
磁気抵抗効果素子２００Ａは、電極２Ｆおよび電極３Ｆ上に電気的に接続された金属導体薄膜７Ｆを有する。金属導体薄膜７Ｆは、金属導体部１Ｆを含む。金属導体部１Ｆは、電極２Ｆおよび電極３Ｆの底面に垂直な方向から見て、電極２Ｆおよび電極３Ｆ間の隙間を支持体４Ｆに沿ってブリッジする。金属導体部１Ｆのブリッジ長さＬは、磁気抵抗効果素子２００Ａの作動温度における金属導体部１Ｆ中の電子のスピン拡散長と電子の平均自由行程Λとの大きい方の値以下である。
磁気ヘッド３００は、磁気抵抗効果素子２００Ａの電極２Ｆおよび３Ｆにそれぞれ電気的に接続され両電極に電圧を印加するためのリード線１０を備える。
電極３Ｆは、絶縁膜１５と、絶縁膜１５上に形成されたＴａ等の下地膜１６と、下地膜１６上に形成され、外部磁界Ｈが印加されると、その磁化方向Ｊ２が容易に回転する自由層（ｆｒｅｅ ｌａｙｅｒ）１１とを含む。電極２Ｆは、絶縁膜３３と、絶縁膜３３上に形成されたＴａ等の下地膜３４と、下地膜３４上に形成され、外部磁界Ｈが印加されても、その磁化方向Ｊ１が容易に回転しない固定層（ｐｉｎｎｅｄ ｌａｙｅｒ）１２とを含む。固定層１２は、下地膜３４上に形成された反強磁性膜１４と、反強磁性膜１４上に形成され、反強磁性膜１４によってピンニングされた磁性膜１３とを含む。
このように構成された磁気ヘッド３００の製造方法を説明する。まず、ブリッジ長さＬの隙間を空けて電極２Ｆおよび電極３Ｆを基板８上に形成する。そして、電極２Ｆおよび電極３Ｆにリード線１０をそれぞれ接続する。その後、カーボンナノチューブの形成反応を促進する触媒を電極２Ｆおよび電極３Ｆ上に設ける。次に、カーボンナノチューブを化学気相成長法（ＣＶＤ）等により各触媒から成長させて電極２Ｆおよび電極３Ｆ間をブリッジさせ、支持体４Ｆを形成する。その後、支持体４Ｆ上、ならびに電極２Ｆおよび電極３Ｆ上に金属導体薄膜７Ｆを蒸着法等により堆積させ、金属導体部１Ｆを支持体４Ｆに沿って形成する。
このように、カーボンナノチューブの支持体４Ｆ上に金属導体薄膜７Ｆを堆積させることによって、電子のスピン拡散長と電子の平均自由行程Λとの大きい方の値以下のブリッジ長さＬを有する金属導体部１Ｆを形成することができる。
この金属導体部１Ｆが、両電極２Ｆおよび３Ｆ間の電気伝導を担う。この金属導体部１Ｆは、金属によって形成されている。従って、導電性を制御することができない非特許文献４のカーボンナノチューブと異なり、金属導体部１Ｆは安定な導電性を有する。また金属導体部１Ｆを含む金属導体薄膜７Ｆが金属によって形成されているため、非特許文献４のカーボンナノチューブと異なり、電極２Ｆおよび電極３Ｆとの接触抵抗が極めて小さくなる。このため、電気特性が安定し、カーボンナノチューブと電極との間に生じる大きな接触抵抗の課題が解決される。
電子のスピン拡散長と電子の平均自由行程Λとの大きい方の値以下のブリッジ長さＬを有する金属導体部１Ｆでは、電子が１回も散乱されずに金属導体部１Ｆを通り過ぎるバリスティック伝導が観測される。バリスティック伝導を利用すると、電極２Ｆの固定層１２の磁化方向Ｊ１および電極３Ｆの自由層１１の磁化方向Ｊ２を制御することにより、従来のＧＭＲ素子やＴＭＲ素子よりもＭＲ比が極めて高い磁気抵抗効果素子を得ることができる。
図５Ａに示すように、外部磁界Ｈが印加されると、電極２Ｆの固定層１２の磁化方向Ｊ１は回転しないが、電極３Ｆの自由層１１の磁化方向Ｊ２は、印加された外部磁界Ｈの大きさに応じて回転する。このため、磁化方向Ｊ１と磁化方向Ｊ２との角度差が、印加された外部磁界Ｈの大きさに応じて変化し、磁化方向Ｊ１と磁化方向Ｊ２との角度差に応じて電極２Ｆ、３Ｆ間の抵抗が変化する。その結果、印加された外部磁界Ｈの大きさに応じて、磁気抵抗効果素子２００Ａの電極２Ｆ、３Ｆ間の抵抗が変化する。
反強磁性膜１４と反強磁性膜１４によってピンニングされた磁性膜１３とで固定層１２を構成すると、熱的に特性が安定な磁気ヘッドが得られる。
また磁性膜１３は、図５Ｂの例では反強磁性膜１４によりピンニングされているが、保磁力の大きな硬質磁性膜あるいは磁力の大きな硬質磁性膜と磁性膜との複合膜を含んでも良い。この場合は反強磁性膜１４は不要である。
固定層１２に設けられた磁性膜１３の磁化方向は一方向に固定されていなければならないが、記録密度が１００Ｇｂ／ｉｎｃｈ2 を超える用途の磁気ヘッドにおいては素子サイズが極めて微細になり、磁性膜１３の磁化方向が熱揺らぎを受けて磁化方向の固定が困難となる。そこで本実施の形態では、反強磁性膜１４により磁性膜１３をピンニングし、素子サイズが微細になった場合にも磁性膜１３の磁化方向が熱揺らぎを受けないようにしている。
自由層１１の磁化容易軸（ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｅａｓｙ ａｘｉｓ）３０は、検出すべき外部磁界Ｈの方向と直交するように配置されていることが望ましい。これにより磁気抵抗効果素子２００Ａの信号出力の線形性が向上する。これを実現するには、自由層１１の両側に永久磁石膜を設け、そのバイアス磁界により自由層１１の磁化容易軸３０を、検出すべき外部磁界Ｈの方向と直交するように固定しても良いし、自由層１１の磁化容易軸３０が外部磁界Ｈの方向と直交するように、自由層１１の両端の一部を反強磁性膜１４とは別に設けられた反強磁性膜によりピンニングしても良い。
さらに、非磁性膜を介して反平行に交換結合した２つの磁性膜によって自由層１１を構成し、これらの２つの磁性膜のそれぞれの磁化をＭ１およびＭ２とし、膜厚をｔ１およびｔ２とするとき、（Ｍ１×ｔ１−Ｍ２×ｔ２）が零でないようにすれば、この交換結合により、微細な素子となった場合の熱揺らぎに対する安定性の向上と、実効的な磁性膜の膜厚が減少することによる外部磁界に対する磁気抵抗効果素子の感度の向上とが可能である。
磁性膜１３も、自由層１１と同様に、非磁性膜を介して反平行に交換結合した２つの磁性膜によって構成してもよい。これにより熱揺らぎに対する安定性がさらに向上する。磁性膜１３の場合は、２つの磁性膜の磁化をＭ１ＸおよびＭ２Ｘとし、膜厚をｔ１Ｘおよびｔ２Ｘとするとき、（Ｍ１Ｘ×ｔ１Ｘ−Ｍ２Ｘ×ｔ２Ｘ）が零となっても良い。
自由層１１および磁性膜１３の材料は、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉを主成分とする金属・合金が望ましい。具体的にはＮｉＦｅ、ＣｏＦｅおよびＣｏＦｅＮｉ等が挙げられる。反強磁性膜１４の材料は、Ｐｔ、ＰｄおよびＩｒから選ばれる少なくとも１つの元素と、Ｍｎ元素を主成分とする合金膜、例えばＰｔＭｎ、ＩｒＭｎおよびＰｔＰｄＭｎとを用いることが望ましい。絶縁膜１５および３３は、例えばＳｉＯ2等によって構成してもよい。絶縁膜１５および３３は、形成しなくてもよいが、絶縁膜１５および３３を形成した方がＣＮＴの円滑な成長が可能となる。
なお、互いに異なる電圧を電極２Ｆおよび電極３Ｆにリード線１０を介してそれぞれ印加しながら、カ−ボンナノチュ−ブをブリッジさせて支持体４Ｆを形成すると、カ−ボンナノチュ−ブの成長方向をより容易に制御することができる。
（実施の形態４）
図６は、実施の形態４に係る記録再生装置４００の正面図である。記録再生装置４００は、記録ヘッド部１７と再生ヘッド部１８とを備える。記録ヘッド部１７は巻き線部３１を有する。この巻き線部３１に電流を流すと、記録ギャップＧ１から漏れ磁界が発生し、この漏れ磁界により情報が磁気記録媒体１９に記録される。
再生ヘッド部１８は、磁性体を含む二つのシ−ルド部３２と、シールド部３２間に設けられた実施の形態３に係る磁気ヘッド３００とを有する。シ−ルド部３２間の読み出しギャップＧ２は、磁気記録媒体１９に記録されたビット長ＢＬの２倍よりも狭くなるように形成される。磁気記録媒体１９に記録された情報は、実施の形態３の磁気ヘッド３００の磁気抵抗効果素子２００Ａにより検知され、リ−ド線１０（図５Ａ）を通じて情報が読み出される。
実施の形態４の再生ヘッド部１８の磁気ヘッド３００は、実施の形態３の磁気抵抗効果素子２００Ａを備え、磁気抵抗効果素子２００Ａは金属導体部１Ｆ（図５Ａ、図５Ｂ）を含む。この金属導体部１Ｆのブリッジ長さＬは電子のスピン拡散長と電子の平均自由行程Λとの大きい方の値以下であるため、金属導体部１Ｆでバリスティック伝導を実現できる。従って、再生ヘッド部１８の磁気ヘッド３００を用いれば、従来のＧＭＲ素子やＴＭＲ素子よりも大きい１００％以上の高いＭＲ比を得ることができるため、１００Ｇｂ／ｉｎｃｈ2 を越える超高密度の記録再生装置が可能となる。
（実施の形態５）
図７Ａは実施の形態５に係る第１のメモリ素子５００の平面図であり、図７Ｂはその正面図であり、図７Ｃは第１のメモリ素子５００の作用を説明するための平面図である。実施の形態１〜４で前述した構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
メモリ素子５００は、実施の形態３で図５Ａ、図５Ｂを参照して前述した磁気抵抗効果素子２００Ａを備える。磁気抵抗効果素子２００Ａは、外部磁界Ｈに対して容易に磁化回転する自由層１１を含む電極３Ｆと、外部磁界Ｈに対して容易に磁化回転しない固定層１２を含む電極２Ｆと、金属導体部１Ｆを含む金属導体薄膜７Ｆとを備える。固定層１２、自由層１１および金属導体部１Ｆは、磁性体によって構成される。
電子のスピン拡散長と電子の平均自由行程Λとの大きいほうの値以下のブリッジ長さＬを有する金属導体部１Ｆでは、電子が１回も散乱されずに金属導体部１Ｆを通り過ぎるバリスティック伝導が観測される。バリスティック伝導を利用すると、電極２Ｆの固定層１２の磁化方向Ｊ１および電極３Ｆの自由層１１の磁化方向Ｊ２を制御することにより、従来のＧＭＲ素子やＴＭＲ素子よりもＭＲ比が極めて高い磁気抵抗効果素子を得ることができる。
メモリ素子５００は、自由層１１の磁化方向Ｊ２を反転させる外部磁界Ｈ１またはＨ２を電流２１Ａ、２１Ｂのいずれかに基づいてそれぞれ発生するワード線２０と、ワード線２０に電流２１Ａ、２１Ｂのいずれかを供給する電流供給器２２とをさらに備える。
図７Ａに示すように、電流供給器２２が電流２１Ａをワード線２０に供給すると、ワード線２０は外部磁界Ｈ１を発生する。固定層１２の磁化方向Ｊ１は外部磁界Ｈ１の方向に磁化回転しないが、自由層１１の磁化方向Ｊ２は外部磁界Ｈ１の方向に磁化回転する。このため、自由層１１の磁化方向Ｊ２は、固定層１２の磁化方向Ｊ１に対して反平行状態になる。
次に図７Ｃに示すように、電流供給器２２が電流２１Ａと逆向きの電流２１Ｂをワード線２０に供給すると、ワード線２０は外部磁界Ｈ１と逆向きの外部磁界Ｈ２を発生する。そして、自由層１１の磁化方向Ｊ２は外部磁界Ｈ２の方向に反転する。このため、自由層１１の磁化方向Ｊ２は、固定層１２の磁化方向Ｊ１に対して平行状態になる。
このように、ワード線２０に電流２１Ａと電流２１Ｂとのいずれかを流して自由層１１の磁化方向Ｊ２を反転させることにより、平行状態と反平行状態とを実現できる。
図７Ａに示すように両電極２Ｆおよび３Ｆの磁化方向Ｊ１、Ｊ２が反平行状態の場合は金属導体部１Ｆに磁性体を用いると磁壁がピンニングされる。このため、電子は磁壁で散乱されるので、両電極２Ｆおよび３Ｆ間の抵抗は高くなる。図７Ｃに示すように両電極２Ｆおよび３Ｆの磁化方向Ｊ１、Ｊ２が平行状態の場合は金属導体部１Ｆから磁壁が消滅する。このため、磁壁による電子の散乱は生じないので、両電極２Ｆおよび３Ｆ間の抵抗は低くなる。
金属導体部１Ｆを非磁性体で構成した場合は、金属導体部１Ｆに磁壁は生じないが、電極２Ｆおよび３Ｆの磁化方向が互いに平行な場合には金属導体部１Ｆはバリスティック伝導を示し、反平行な場合にはスピン散乱が生じるため、電極２Ｆおよび３Ｆの磁化方向が互いに平行か反平行かに応じて、従来のＧＭＲ素子よりも大きな磁気抵抗変化が得られる。
電子のスピン拡散長と電子の平均自由行程Λとの大きい方の値以下のブリッジ長さを有する金属導体部１Ｆでは、電子が１回も散乱されずに金属導体部１Ｆを通り過ぎるバリスティック伝導が実現できる。このため、図７Ａの反平行状態での電気抵抗と図７Ｃの平行状態での電気抵抗との差が極めて大きくなる。従って、従来のＭＲＡＭ用磁気抵抗効果素子の最大で約６０％のＭＲ比に比べて極めて高いＭＲ比を実現することができる。
ワ−ド線２０に電流２１Ａまたは２１Ｂを流すと、電極３Ｆの自由層１１に図７Ａの状態および図７Ｃの状態にそれぞれ対応する「１」または「０」の情報を書き込むことができる。両電極２Ｆおよび３Ｆ間の抵抗を測定すると、測定した抵抗の高低に応じて、書き込まれた情報を読み取ることができる。
図８Ａは実施の形態５に係る第２のメモリ素子６００の平面図であり、図８Ｂは第２のメモリ素子６００の作用を説明するための平面図である。
メモリ素子６００は、磁気抵抗効果素子２００Ａを備える。前述したメモリ素子５００の場合と同様に、電子のスピン拡散長と電子の平均自由行程Λとの大きい方の値以下のブリッジ長さＬを有する金属導体部１Ｆでは、電子が１回も散乱されずに金属導体部１Ｆを通り過ぎるバリスティック伝導が観測される。バリスティック伝導を利用すると、電極２Ｆの固定層の磁化方向Ｊ１および電極３Ｆの自由層の磁化方向Ｊ２を制御することにより、従来のＧＭＲ素子やＴＭＲ素子よりもＭＲ比が極めて高い磁気抵抗効果素子を得ることができる。
メモリ素子６００には、電流供給器２５が設けられる。電流供給器２５は、電極２Ｆから電極３Ｆへ向かって金属導体部１Ｆを流れる電流２３と、電極３Ｆから電極２Ｆへ向かって金属導体部１Ｆを流れる電流２４とのいずれかを磁気抵抗効果素子２００Ａに供給する。ワ−ド線が無いこと以外は基本的な構成は図７Ａ〜図７Ｃの第１のメモリ素子５００と同様である。
金属導体部１Ｆが非磁性導体の場合には、図８Ａに示すように、固定層を含む電極２Ｆ側から電流２３を流すと、電極３Ｆの自由層の磁化方向Ｊ２は電極２Ｆの固定層の磁化方向Ｊ１に対して反平行状態になる。図８Ｂに示すように、自由層を含む電極３Ｆ側から電流２４を流すと、電極３Ｆの自由層の磁化方向Ｊ２は反転し、電極２Ｆの固定層の磁化方向Ｊ１に対して平行状態になる。また、金属導体部１Ｆが磁性体の場合には、電極３Ｆまたは電極２Ｆから電流を流すことにより、金属導体部１Ｆに磁壁をピンニングし、または金属導体部１Ｆから磁壁を追い出すことが可能である。
磁気抵抗素子２００Ａに電流２３または２４を流すと、電極３Ｆの自由層に図８Ａの状態および図８Ｂの状態にそれぞれ対応する「１」または「０」の情報を書き込むことができる。そして、両電極２Ｆおよび３Ｆ間の抵抗を測定すると、測定した抵抗の高低に応じて、書き込まれた情報を読み取ることができる。
このように電流２３または２４を流して電極３Ｆの磁化方向Ｊ２を反転させるためには、電流２３および２４の電流密度は少なくとも１×１０5 Ａ／ｃｍ2 以上、安定した動作のためには１×１０6 Ａ／ｃｍ2 以上とすることが望ましい。
従来のリソグラフィ−技術を用いてこの様な磁気抵抗素子を作成すると、金属導体部の幅が大きくなるため、電流密度をこのように大きくするためには大きな電流を流さなければならなかった。このため、省エネルギーを実現する磁気抵抗効果素子を得ることが困難であった。
本実施の形態では金属導体部をＣＮＴ上に形成するため、金属導体部の幅を容易に１〜１０ｎｍと小さくすることができる。このため、大きな電流を流さなくても上記の電流密度を実現することができる。電流２３および２４の電流密度は、１．０×１０8 Ａ／ｃｍ2 に以下であることが好ましい。この上限値を超えると、作動中にメモリ素子が破壊される恐れがある。
図８Ａおよび図８Ｂに示すメモリ素子６００は、図７Ａ〜図７Ｃのメモリ素子５００のようにワ−ド線を必要とすることがない。ワ−ド線等を用いた外部磁界Ｈによる磁化反転の場合は、メモリ素子が小さくなると、磁化反転に要するワード線の電流が増加するという問題が深刻化する課題があったが、このメモリ素子６００ではその問題が無い。
このようにメモリ素子６００はワード線が必要ないため、シンプルでかつより小型化し易い構成となり、セル面積が小さく、設置スペースの小さな高密度のメモリ素子を実現することができる。メモリ素子６００によれば、従来のＭＲＡＭ用磁気抵抗効果素子の最大で約６０％のＭＲ比に比べて極めて高いＭＲ比を実現することができる。
なお図７Ａ〜７Ｃ、図８Ａ、８Ｂに示したメモリ−素子の固定層１１は固定層１１の下もしくは上に設けられた反強磁性膜を用いてピンニングしてもよい。この反強磁性膜は、Ｐｔ、ＰｄおよびＩｒから選ばれる少なくとも１つの元素と、Ｍｎ元素を主成分とする合金膜、例えばＰｔＭｎ、ＩｒＭｎおよびＰｔＰｄＭｎとを含むことが好ましい。
図９は、実施の形態５に係るメモリアレイ７００の斜視図である。
図８Ａ、図８Ｂを参照して前述した本実施の形態のメモリ素子を図９に示すように、マトリックス状に配置して、個々のメモリ素子への情報の記録と、個々のメモリ素子からの情報の読み出しが可能な構成とすれば、従来のＭＲＡＭを越える１Ｇｂ超の高密度メモリアレイが実現できる。
メモリアレイ７００には、磁気抵抗効果素子２００Ａがｍ行×ｎ列のマトリックス状に配置される。列方向に配置された磁気抵抗効果素子２００Ａに沿ってＭ本の導体線Ｘ１、Ｘ２、…、Ｘ（ｍ−１）、Ｘｍが設けられる。各磁気抵抗効果素子２００Ａの電極３Ｆとｍ本の導体線Ｘ１、Ｘ２、…、Ｘ（ｍ−１）、Ｘｍとを接続する接続線ＣＬ（ｉ、ｊ）、（１≦ｉ≦ｍ、１≦ｊ≦ｎ）がマトリックス状に設けられる。そして、行方向に配置された磁気抵抗効果素子２００Ａの電極２Ｆに接続されたｎ本の導体線Ｙ１、Ｙ２、…、Ｙ（ｎ−１）、Ｙｎが設けられる。
メモリアレイ７００は、書き込み器３５を備える。書き込み器３５は、各磁気抵抗効果素子２００Ａの金属導体部１Ｆを流れる電流の方向を反転させて電極２Ｆおよび電極３Ｆの磁化方向を平行または反平行に変化させることにより磁気抵抗効果素子２００Ａに導体線および接続線を介して独立に情報を書き込む。
メモリアレイ７００は、読み出し器３６を備える。読み出し器３６は、電極２Ｆおよび電極３Ｆの磁化方向に応じて異なる各磁気抵抗効果素子２００Ａの電極２Ｆおよび電極３Ｆ間の抵抗値を測定することにより磁気抵抗効果素子２００Ａに書き込まれた情報を独立に読み出す。
情報の記録は、比較的大きな電流を、導体線Ｘｉ、接続線ＣＬ（ｉ，ｊ）、導体線Ｙｊに流して行う。この時、電流を流す方向が導体線Ｘｉ側からか、あるいは導体線Ｙｊ側からかに応じて、両電極２Ｆおよび３Ｆの磁化方向が平行状態または反平行状態となる。金属導体部１Ｆに磁性体を用いれば、反平行状態の場合は金属導体部１Ｆに磁壁がピンニングされて高抵抗となり、平行状態の場合は金属導体部１Ｆから磁壁が消滅して低抵抗となる。金属導体部１Ｆを非磁性体で構成した場合は、金属導体部１Ｆに磁壁は生じないが、電極２Ｆおよび３Ｆの磁化方向が互いに平行な場合には金属導体部１Ｆはバリスティック伝導を示して低抵抗となり、反平行な場合にはスピン散乱が生じるため高抵抗となる。
そして、両電極２Ｆおよび３Ｆ間の抵抗を測定し、測定した抵抗値の高低に応じて、書き込まれた情報を読み取ることができる。
磁気抵抗効果素子２００Ａの電極２Ｆ、３Ｆ間の電気伝導は、金属導体部１Ｆが担う。この金属導体部１Ｆは、金属によって形成されている。このため、導電性を制御することができない非特許文献４のカーボンナノチューブと異なり、金属導体部１Ｆは安定な導電性を有する。また金属導体部１Ｆを含む金属導体薄膜が金属によって形成されているため、非特許文献４のカーボンナノチューブと異なり、電極２Ｆおよび電極３Ｆとの接触抵抗が極めて小さくなる。このため、電気特性が安定し、カーボンナノチューブと電極との間に生じる大きな接触抵抗の課題が解決される。
金属導体部１Ｆのブリッジ長さＬは、金属導体部１Ｆにおける電子のスピン拡散長と電子の平均自由行程Λとの大きい方の値以下であるため、電子が１回も散乱されずに金属導体部１Ｆを通り過ぎるバリスティック伝導が観測される。バリスティック伝導を利用すると、従来のＧＭＲ素子やＴＭＲ素子よりも大きなＭＲ比を示す磁気抵抗効果素子（ＢＭＲ（バリスティックＭＲ））を得ることができる。これにより従来のＭＲＡＭより高出力のメモリアレイ７００が実現できる。
（実施の形態６）
図１０は実施の形態６に係る磁気抵抗効果素子８００の斜視図であり、図１１は磁気抵抗効果素子８００の製造方法を説明するための斜視図である。
磁気抵抗効果素子８００は、外部磁界に対して容易に磁化回転しない固定層（第１電極膜）ＰＬを備える。固定層ＰＬは、反強磁性膜ＡＦと、反強磁性膜ＡＦ上に形成され、反強磁性膜ＡＦによってピンニングされる磁性膜ＭＬとを含む。磁性膜ＭＬ上には非磁性絶縁膜ＮＬが形成され、非磁性絶縁膜ＮＬ上には外部磁界に対して容易に磁化回転する自由層（第２電極膜）ＦＬが形成される。自由層ＦＬは、磁性膜により構成される。
磁気抵抗効果素子８００は、非磁性絶縁膜ＮＬを貫通して磁性膜ＭＬおよび自由層ＦＬを電気的に接続する円柱状の金属導体Ｃを備える。金属導体Ｃは、磁性体または非磁性体で構成される。磁性膜ＭＬから自由層ＦＬまでの金属導体Ｃの長さＬは、磁気抵抗効果素子８００の作動温度における金属導体Ｃ中の電子の平均自由行程Λ以下である。
このように構成された磁気抵抗効果素子８００の製造方法を説明する。まず、反強磁性膜ＡＦと磁性膜ＭＬとをこの順番に基板８上に形成する。そして、磁性膜ＭＬに非磁性絶縁膜ＮＬを、金属導体Ｃの長さＬの厚みに形成する。
次に、カーボンナノチューブを含む走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ））の探針２６から電界放出電子線を照射して磁性膜ＭＬに到達する貫通孔２７を非磁性絶縁膜ＮＬに形成する。その後、貫通孔２７の中を金属導体Ｃで充填する。そして、非磁性絶縁膜ＮＬおよび金属導体Ｃの上に自由層ＦＬを形成する。
電界放出電子線を照射するＳＴＭの探針２６をカーボンナノチューブで形成すると、微細で精密な加工が確実にできるため、１ｎｍ〜１０００ｎｍ、特に、１ｎｍ〜１００ｎｍの微細な大きさと形状に貫通孔２７を形成することができる。従って、微細な大きさと形状に充填された金属導体Ｃを得ることができる。
電子の平均自由行程Λ以下の長さＬを有する金属導体Ｃでは、断面積に対する導電率がステップ状に変化する量子化コンダクタンスおよび電子が１回も散乱されずに金属導体Ｃを通り過ぎるバリスティック伝導が観測される。
バリスティック伝導を利用すると、自由層ＦＬの磁化方向Ｊ２および固定層ＰＬの磁化方向Ｊ１を制御することにより、ＭＲ比が極めて高い磁気抵抗効果素子、および磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッド、記録再生装置、メモリ素子、メモリアレイを得ることができる。
図１０に示すように、金属導体Ｃに磁性体を用いれば、自由層ＦＬの磁化方向Ｊ２と固定層ＰＬの磁化方向Ｊ１とが反平行状態の場合は、磁性体の金属導体Ｃに磁壁がピンニングされるため、自由層ＦＬおよび固定層ＰＬ間の抵抗が高くなる。両者の磁化方向Ｊ１、Ｊ２が平行状態の場合は、金属導体Ｃから磁壁が消滅するため、自由層ＦＬおよび固定層ＰＬ間の抵抗が低くなる。金属導体Ｃに非磁性体を用いれば、金属導体Ｃ中に磁壁は生じないが、自由層ＦＬおよび固定層ＰＬの磁化方向が互いに平行か反平行かにより、平行な場合には金属導体Ｃはバリスティック伝導を示して低抵抗となり、反平行な場合にはスピン散乱が生じるため高抵抗となる。このため、ＭＲ比の高い磁気抵抗効果素子を得ることができる。
外部磁界の大きさを変化させて自由層ＦＬの磁化回転を起こすと、固定層ＰＬの固定された磁化方向Ｊ１と、磁化回転を起こした自由層ＦＬの磁化方向Ｊ２との角度差が変化するため、自由層ＦＬおよび固定層ＰＬ間の抵抗が変化する。この磁気抵抗効果素子８００を用いて磁気媒体からの信号を検出する磁気ヘッドを構成することが可能である。
また、自由層ＦＬ側から、または固定層ＰＬ側から大きな電流を流して、自由層ＦＬの磁化方向Ｊ２と固定層ＰＬの磁化方向Ｊ１とを平行状態、あるいは反平行状態とすることにより情報を書き込み、自由層ＦＬおよび固定層ＰＬの磁化方向Ｊ１、Ｊ２が平行状態か反平行状態かに応じて、自由層ＦＬおよび固定層ＰＬ間の抵抗が異なることを利用して情報を読み出せばメモリ素子が実現される。
さらに、図９のマトリックス状に配置された磁気抵抗効果素子２００Ａを磁気抵抗効果素子８００で置き換えれば大容量のメモリアレイが実現される。膜面に垂直に電流を流す磁気抵抗効果素子８００を用いた方が、膜面に平行に電流を流す磁気抵抗効果素子２００Ａを用いるよりも一般的に高密度化が容易だからである。
量子化コンダクタンスを利用すると、金属導体Ｃの断面積を制御することにより、断面積に対する導電率が連続的に変化する場合に生じる導電率の量産上におけるばらつきを解消した電子デバイスを得ることができる。
さらに、磁気抵抗効果素子８００に電流を流した場合に金属導体Ｃにのみ電流が流れる程度の比較的高い電気抵抗を有している半導体膜を、非磁性絶縁膜ＮＬの替わりに使用してもよい。
図１２Ａは実施の形態６に係る電子デバイス９００の斜視図であり、図１２Ｂは電子デバイス９００の製造方法を説明するための斜視図である。
電子デバイス９００は、基板８上に形成された電極２Ｇおよび電極３Ｇと、電極２Ｇおよび電極３Ｇに接触して電極２Ｇおよび電極３Ｇ間に形成された絶縁膜２８とを備える。
絶縁膜２８には、電極２Ｇから電極３Ｇに到達する溝２９が形成される。溝２９には、電極２Ｇと電極３Ｇとに接触する金属導体１Ｇが充填される。金属導体１Ｇの長さＬは、電子デバイス９００の作動温度における金属導体１Ｇ中の電子の平均自由行程Λ以下である。
このように構成された電子デバイス９００の製造方法を説明する。まず、長さＬの隙間を空けた電極２Ｇおよび電極３Ｇと絶縁膜２８とを基板８上に形成する。そして、カーボンナノチューブを含むＳＴＭの探針２６を移動させながら電界放出電子線を照射して、電極２Ｇから電極３Ｇに到達する溝２９を絶縁膜２８に形成する。次に、金属導体１Ｇを溝２９に充填する。
電界放出電子線を照射するＳＴＭの探針２６をカーボンナノチューブで形成すると、微細で精密な加工が確実にできるため、１ｎｍ〜１０００ｎｍ、特に、１ｎｍ〜１００ｎｍので制御された微細な大きさと形状に溝２９を形成することができる。従って、微細な大きさと形状に充填された金属導体１Ｇを得ることができる。
電子の平均自由行程Λ以下の長さＬを有する金属導体１Ｇでは、量子化コンダクタンスおよびバリスティック伝導が観測される。
量子化コンダクタンスを利用すると、金属導体部１Ｇの断面積を制御することにより、断面積に対する導電率が連続的に変化する場合に生じる導電率の量産上におけるばらつきを解消した電子デバイスを得ることができる。バリスティック伝導を利用すると、電極２Ｇおよび電極３Ｇの磁化方向を制御することにより、ＭＲ比が極めて高い磁気抵抗効果素子、および磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッド、記録再生装置、メモリ素子、メモリアレイを得ることができる。
金属導体１Ｇには、凹部が形成されてもよい。ここで金属導体の凹部とは、金属導体の長さＬの方向に直交する断面に沿った断面積が、他の部分の断面積よりも小さな部分をいう。本発明者らは、この凹部をＳＴＭを用いて形成できることを確認した。図１３Ａに示すように、ＳＴＭの探針を電極２Ｇ側から矢印３８の方向に移動させながら電界放出電子線を照射し、絶縁膜２８の略中央まで溝３９を形成する。そして、電極３Ｇ側から矢印４０の方向にＳＴＭの探針２６を移動させながら電界放出電子線を照射して絶縁膜２８に溝４１を形成していき、溝４１の先端を溝３９の先端に到達させて、図１３Ｂに示すような凸部３７を有する溝２９Ａを形成する。その後、金属導体１Ｇを溝２９Ａに充填して凹部３７Ａを有する金属導体１Ｇを得る。凹部３７Ａを形成することにより、電子デバイスを磁気抵抗効果素子に適用する場合、金属導体１Ｇに磁性体を用いれば、金属導体１Ｇの凹部３７Ａの部位に磁壁をより確実にピンニングできる。
Ｓｉ基板上にＳｉＯ2 層を設け、この上にスパッタリング法とＥＢリソグラフィーとにより間隔が５０ｎｍに設定されたＭｏ／Ａｕより成る一対の電極を形成した。そして、これらの電極上に直径約５ｎｍのＮｉの微粒子を含む触媒を付けた。そして、ＣＨ4 を用いたＣＶＤ法により８００℃で、長さ５０ｎｍ、直径約１ｎｍのＣＮＴを横方向に成長させて両電極間をブリッジさせ支持体を形成した。このＣＮＴ上および両電極上に、Ａｕ膜を厚さ１ｎｍに蒸着することにより、金属導体部をＣＮＴ上に形成し、電子デバイスを作製した。
さらに、ＣＮＴの直径を２ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍおよび２０ｎｍに変化させて電子デバイスを作製した。具体的には、直径２ｎｍのＣＮＴを成長させた支持体上に厚さ２ｎｍの金属導体部を形成した電子デバイス、直径５ｎｍのＣＮＴを成長させた支持体上に厚さ５ｎｍの金属導体部を形成した電子デバイス、直径１０ｎｍのＣＮＴを成長させた支持体上に厚さ５ｎｍの金属導体部を形成した電子デバイス、および直径２０ｎｍのＣＮＴを成長させた支持体上に厚さ５ｎｍの金属導体部を形成した電子デバイスを作製した。作動温度７７Ｋにおいて、これらの電子デバイスに電圧を印加して、コンダクタンスを測定したところ、用いたＣＮＴのサイズに依存したＧ＝２ｅ2 ／ｈの整数倍の量子化コンダクタンスを示すことがわかった。ここで、
Ｇ：導電率（コンダクタンス）、
ｅ：電子の電荷、
ｈ：プランク定数、
である。
Ｓｉ基板上にＳｉＯ2 層を設け、この上にスパッタリング法とＥＢリソグラフィーとにより、間隔が１０ｎｍに設定されたＴａ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅより成る電極とＴａ／ＰｔＭｎ／ＣｏＦｅより成る電極とを形成した。そして、これらの電極上に厚さ０．５ｎｍのＣｏ薄膜を蒸着し、ＣＨ4 を用いたＣＶＤ法により４００℃で長さ１０ｎｍ、直径約２０ｎｍのＣＮＴを横方向に成長させて両電極間をブリッジさせ支持体を形成した。
このＣＮＴ上および両電極上にＣｏ膜をスパッタリング法で３ｎｍの厚みに蒸着することにより、金属導体部をＣＮＴ上に形成し、図５Ａ、図５Ｂに示す磁気抵抗効果素子２００Ａを作製した。両電極の最大幅は１２０ｎｍとして、金属導体部に向って幅が減少する形状とした。これらの電極にリ−ド線を接続して、図５Ａ、図５Ｂに示す磁気ヘッド３００を作製し、作動温度３００Ｋにおいて、一定の電圧を印加し、外部磁界を１ｋＯｅから−１ｋＯｅまで変化させたところ、約５００％のＭＲ比を示すことわかった。
実施例２で作製した磁気ヘッドを用いて、再生トラック幅が１２０ｎｍの再生ヘッド部を作製し、図６に示す記録ヘッド部と再生ヘッド部とを有する記録再生装置を作製した。磁気記録媒体としてはＣｏＣｒＰｔ−ＳｉＯ2 系垂直磁気記録媒体を用い、２００Ｇｂ／ｉｎｃｈ2 の記録密度で磁気記録媒体に記録された情報が、作動温度３００Ｋにおいて、この再生ヘッド部により再生できることがわかった。
Ｓｉ基板上にＳｉＯ2 層を設け、この上にスパッタリング法とＥＢリソグラフィーとにより、間隔が１５ｎｍに設定されたＴａ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅより成る電極とＴａ／ＰｔＭｎ／ＣｏＦｅより成る電極とを形成した。そして、これらの電極上に厚さ０．５ｎｍのＣｏ薄膜を蒸着し、ＣＨ4 を用いたＣＶＤ法により４５０℃で長さ１５ｎｍ、直径約６ｎｍのＣＮＴを横方向に成長させて両電極間をブリッジさせ支持体を形成した。
このＣＮＴ上および両電極上にＣｏ膜をスパッタリング法で３ｎｍの厚みに蒸着することにより、金属導体部をＣＮＴ上に形成し、図５Ａ、図５Ｂに示す磁気抵抗効果素子２００Ａを作製した。両電極の最大幅は８０ｎｍとして、金属導体部に向って幅が減少する形状とした。これらの電極にリ−ド線を接続して図５Ａ、図５Ｂに示す磁気ヘッド３００を作製し、作動温度７７Ｋにおいて、一定の電圧を印加し、外部磁界を１ｋＯｅから−１ｋＯｅまで変化させたところ、約１０００％のＭＲ比を示すことわかった。
Ｓｉ基板上にスパッタリング法により、間隔が５０ｎｍに設定されたＴａ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅより成る電極とＴａ／ＰｔＭｎ／ＣｏＦｅより成る電極を形成した。そして、両電極上に厚さ０．５ｎｍのＣｏ薄膜を蒸着し、ＣＨ4 を用いたＣＶＤ法により４５０℃で長さ５０ｎｍ、直径約２０ｎｍのＣＮＴを横方向に成長させて両電極間をブリッジさせ支持体を形成した。なお両電極の膜厚は約２０ｎｍとした。
このＣＮＴ上および両電極上に厚さ１０ｎｍのＣｕ膜をスパッタリング法にで蒸着することにより、金属導体部をＣＮＴ上に形成し、図５Ａ、図５Ｂに示す磁気抵抗効果素子２００Ａを作製した。両電極の最大幅は２００ｎｍとして、金属導体部に向って幅が減少する形状とした。これらの電極にリ−ド線を接続して磁気ヘッドを作製し、作動温度７７Ｋにおいて、一定の電圧を印加し、外部磁界を１ｋＯｅから−１ｋＯｅまで変化させたところ、約１００％のＭＲ比を示すことわかった。
次にこの磁気ヘッドを用いて再生トラック幅が２００ｎｍの再生ヘッド部を作製し、図６に示すような再生ヘッド部と記録ヘッド部とを有する記録再生装置を作製した。磁気記録媒体としてはＣｏＣｒＰｔ−ＳｉＯ2 系垂直磁気記録媒体を用い、１２０Ｇｂ／ｉｎｃｈ2 の記録密度で磁気記録媒体に記録された情報が、作動温度３００Ｋにおいて、この再生ヘッド部により再生できることがわかった。
実施例４で作製した図５Ａ、図５Ｂの磁気抵抗効果素子２００Ａの電極３Ｆの上に、電極３Ｆと絶縁されたＣｕより成るワ−ド線を形成し、図７Ａ〜図７Ｃに示すメモリ−素子５００を作製した。作動温度３００Ｋにおいて、ワ−ド線に流す電流方向を変化させて「１」または「０」の情報を電極３Ｆに書き込んだ後、磁気抵抗効果素子の両電極間の抵抗値を調べたところ、書き込まれた「１」または「０」の情報に応じて抵抗値が変化することと、書き込まれた情報は不揮発性であることと、このメモリ−素子では非破壊読み出しが可能であることと、１０10回以上の繰り返し書き込みが可能なこととがわかった。
実施例４で作製した図５Ａ、図５Ｂの磁気抵抗効果素子２００Ａを用いて図８Ａおよび図８Ｂに示すメモリ素子６００を作製した。作動温度３００Ｋにおいて、金属導体部を流れる電流の電流密度を約１×１０7 Ａ／ｃｍ2 として、図８Ａに示すように固定層を有する電極２Ｆ側から電流２３を流し、または図８Ｂに示すように自由層を有する電極３Ｆ側から電流２４を流して、「１」または「０」の情報を書き込んだ後、磁気抵抗効果素子の両電極２Ｆおよび３Ｆ間の抵抗値を調べたところ、書き込まれた「１」または「０」の情報に応じて抵抗値が変化することと、書き込まれた情報は不揮発性であることと、このメモリ−素子では非破壊読み出しが可能であることと、１０10回以上の繰り返し書き込みが可能なこととがわかった。
実施例７で作製したメモリ−素子６００の磁気抵抗効果素子２００Ａを図９に示すようにマトリックス状に配列して大容量メモリアレイ７００を作製した。作動温度３００Ｋにおいて、ｍ行×ｎ列の磁気抵抗効果素子２００Ａのうちの１つを適当に選択し、導体線および接続線を流れる電流の電流密度を約１×１０7 Ａ／ｃｍ2 として、磁気抵抗効果素子２００Ａの電極２Ｆ側から電流を流し、または電極３Ｆ側から電流を流して、「１」または「０」の情報を選択された磁気抵抗効果素子２００Ａに書き込んだ。その後、磁気抵抗効果素子の両電極間の抵抗値を調べたところ、書き込まれた「１」または「０」の情報に応じて、磁気抵抗効果素子２００Ａの抵抗値が変化することと、書き込まれた情報は不揮発性であることと、このメモリアレイでは非破壊読み出しが可能であることと、１０10回以上の繰り返し書き込みが可能なこととがわかった。
基板上にスパッタリング法により、Ｔａ下地膜を形成後、ＰｔＭｎより成る反強磁性膜ＡＦと、ＣｏＦｅより成る磁性膜ＭＬを形成して固定層ＰＬを作製した。次に磁性膜ＭＬ上にＡｌ膜をスパッタリング法により形成し、これを自然酸化させて３ｎｍの厚みのＡｌ2 Ｏ3 酸化膜とした非磁性絶縁膜ＮＬを作製した。
次に図１１に示すように、Ａｌ2 Ｏ3 酸化膜の非磁性絶縁膜ＮＬに電圧を印加して、カーボンナノチューブを含むＳＴＭ探針から電界放出電子線を照射して直径５ｎｍの微細な穴を設けた。次にＣｏＦｅ膜をこの上にスパッタリング法で成膜して自由層ＦＬを形成すると同時に、上述のＡｌ2 Ｏ3 酸化膜に形成された穴をＣｏＦｅで充填して金属導体Ｃを形成し、自由層ＦＬと固定層ＰＬとを電気的に連結した。この素子をＥＢリソグラフィ−により８０ｎｍの幅にパタ−ニングして、図１０に示す磁気抵抗効果素子８００を作製した。
そして、この磁気抵抗効果素子８００の自由層ＦＬ上に絶縁膜を介してＣｕより成るワ−ド線を配置した。次に、作動温度３００Ｋにおいて、ワード線に電流を流して磁界を発生させて自由層ＦＬの磁化反転を起こし、この磁気抵抗効果素子８００の抵抗を測定したところ、自由層ＦＬの磁化方向と固定層ＰＬの磁化方向とが平行か反平行かに応じて抵抗が変化することがわかり、この素子が図７Ａ〜図７Ｃのメモリ−素子５００として動作することを確認した。
次に、微細な穴をＣｏＦｅで充填して形成した金属導体Ｃに、電流密度が約１×１０7 Ａ／ｃｍ2 となるように電流を流し、この電流を流す方向が自由層ＦＬ側からか固定層ＰＬ側からに応じて自由層ＦＬの磁化方向が反転し、この素子の固定層ＰＬおよび自由層ＦＬ間の抵抗が変化し、この素子が図８Ａ〜図８Ｂのメモリ−素子６００としても動作することを確認した。
実施例９と同様の方法で基板上に厚さ５ｎｍのＴａ下地膜を形成後、厚さ２０ｎｍのＰｔＭｎより成る反強磁性膜ＡＦと、厚さがそれぞれ３ｎｍ、０．７ｎｍおよび３ｎｍのＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅより成る磁性膜ＭＬを形成して固定層ＰＬを作製した。次に磁性膜ＭＬ上にＡｌ膜をスパッタリング法により形成し、これを自然酸化させて厚さ５ｎｍのＡｌ2 Ｏ3 酸化膜とした非磁性絶縁膜ＮＬを作製した。
次に図１１に示すように、Ａｌ2 Ｏ3 酸化膜の非磁性絶縁膜ＮＬに電圧を印加して、カーボンナノチューブを含むＳＴＭ探針から電界放出電子線を照射して直径約１０ｎｍの微細な穴を設けた。次にＣｕ膜をこの上にスパッタリング法で成膜して、上述のＡｌ2 Ｏ3 酸化膜に形成された穴をＣｕで充填して金属導体Ｃを形成した。次にそれぞれの厚さが１ｎｍ、２ｎｍ、０．４ｎｍおよび２ｎｍのＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／Ｒｕ／ＮｉＦｅ膜をスパッタリングして自由層ＦＬを形成し、この自由層ＦＬと固定層ＰＬとを電気的に連結した。この素子をＥＢリソグラフィ−により１６０ｎｍの幅にパタ−ニングして、図１０に示す磁気抵抗効果素子８００を作製した。
自由層ＦＬと固定層ＰＬとにリ−ド線を接続して磁気ヘッドを作製し、一定の電圧を印加し、外部磁界を１ｋＯｅから−１ｋＯｅまで変化させたところ、約２００％のＭＲ比を示すことわかった。
この磁気ヘッドを用いて、再生トラック幅が１６０ｎｍの再生ヘッド部を作製し、図６に示す再生ヘッド部と記録ヘッド部とを有する記録再生装置を作製した。磁気記録媒体としてはＣｏＣｒＰｔ−ＳｉＯ2 系垂直磁気記録媒体を用い、１５０Ｇｂ／ｉｎｃｈ2 の記録密度で磁気記録媒体に記録された情報が、作動温度３００Ｋにおいて、この再生ヘッド部により再生できることがわかった。
この磁気抵抗効果素子８００の自由層ＦＬ上に絶縁膜を介してＣｕより成るワ−ド線を配置した。そして、作動温度７７Ｋにおいて、ワード線に電流を流して磁界を発生させて自由層ＦＬの磁化反転を起こし、この磁気抵抗効果素子８００の抵抗を測定したところ、自由層ＦＬの磁化方向と固定層ＰＬの磁化方向とが平行か反平行かに応じて抵抗が変化することがわかり、この素子が図７Ａ〜図７Ｃのメモリ−素子５００として動作することを確認した。
次に、微細な穴をＣｕで充填して形成した金属導体Ｃに、電流密度が約１×１０7 Ａ／ｃｍ2 となるように電流を流し、この電流を流す方向が自由層ＦＬ側からか固定層ＰＬ側からに応じて自由層ＦＬの磁化方向が変化し、この素子の固定層ＰＬおよび自由層ＦＬ間の抵抗が変化し、この素子が図８Ａ〜図８Ｂのメモリ−素子６００としても動作することを確認した。
基板上にスパッタリング法により、Ｔａ下地膜を形成後、ＰｔＭｎより成る反強磁性膜ＡＦと、ＮｉＦｅより成る磁性膜ＭＬを形成して固定層ＰＬを作製した。次に磁性膜ＭＬ上にＡｌ膜をスパッタリング法により形成し、これを自然酸化させて３ｎｍの厚みのＡｌ2 Ｏ3 酸化膜とした非磁性絶縁膜ＮＬを作製した。
次に図１１に示すように、Ａｌ2 Ｏ3 酸化膜の非磁性絶縁膜ＮＬに電圧を印加して、カーボンナノチューブを含むＳＴＭ探針から電界放出電子線を照射して直径５ｎｍの微細な穴を設けた。次にＮｉＦｅをこの上にスパッタリング法で成膜して自由層ＦＬを形成すると同時に、上述のＡｌ2 Ｏ3 酸化膜に形成された穴をＮｉＦｅで充填して金属導体Ｃを形成し、自由層ＦＬと固定層ＰＬとを電気的に連結した。この素子をＥＢリソグラフィ−により８０ｎｍの幅にパタ−ニングして、図１０に示す磁気抵抗効果素子８００を作製した。
そして、この磁気抵抗効果素子８００の自由層ＦＬ上に絶縁膜を介してＣｕより成るワ−ド線を配置した。次に、作動温度３００Ｋにおいて、ワード線に電流を流して磁界を発生させて自由層ＦＬの磁化反転を起こし、この磁気抵抗効果素子８００の抵抗を測定したところ、自由層ＦＬの磁化方向と固定層ＰＬの磁化方向とが平行か反平行かに応じて抵抗が変化することがわかり、この素子が図７Ａ〜図７Ｃのメモリ−素子５００として動作することを確認した。
次に、微細な穴をＮｉＦｅで充填して形成した金属導体Ｃに、電流密度が約１×１０7 Ａ／ｃｍ2 となるように電流を流し、この電流を流す方向が自由層ＦＬ側からか固定層ＰＬ側からに応じて自由層ＦＬの磁化方向が反転し、この素子の固定層ＰＬおよび自由層ＦＬ間の抵抗が変化し、この素子が図８Ａ〜図８Ｂのメモリ−素子６００としても動作することを確認した。
本発明は、ナノメートルオーダーで制御された微細な形状を有する電子デバイス、磁気抵抗効果素子、および磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッド、記録再生装置、メモリ素子、メモリアレイ、および電子デバイスの製造方法および磁気抵抗効果素子の製造方法に適用することができる。
実施の形態１に係る電子デバイスの平面図 図１Ａの断面１Ｂ−１Ｂに沿った断面図 図１Ｂの断面１Ｃ−１Ｃに沿った断面図 実施の形態１に係る電子デバイスの製造方法を説明する断面図 実施の形態１に係る電子デバイスの製造方法を説明する断面図 金属導体部のブリッジ長さＬを求める方法を説明するための実施の形態１に係る電子デバイスの断面図 ブリッジ長さＬを求める方法を説明するための実施の形態１に係る電子デバイスの正面図 実施の形態１に係る電子デバイスのブリッジ長さＬを求めるためのグラフ 金属導体部のブリッジ長さＬを求める方法を説明するための実施の形態１に係る他の電子デバイスの断面図 ブリッジ長さＬを求める方法を説明するための実施の形態１に係る他の電子デバイスの正面図 実施の形態１に係る電子デバイスのブリッジ長さＬを求めるための他のグラフ 実施の形態１に係る電子デバイスのブリッジ長さＬを求めるためのさらに他のグラフ 実施の形態１に係る電子デバイスのブリッジ長さＬを求めるためのさらに他のグラフ 実施の形態１に係る電子デバイスの金属導体部の各種断面形状と中心軸とを示す図 実施の形態１に係る電子デバイスの金属導体部の各種断面形状と中心軸とを示す図 実施の形態１に係る電子デバイスの金属導体部の各種断面形状と中心軸とを示す図 実施の形態１に係る電子デバイスの金属導体部の各種断面形状と中心軸とを示す図 実施の形態１に係る電子デバイスの金属導体部の各種断面形状と中心軸とを示す図 実施の形態１に係る電子デバイスの金属導体部の各種断面形状と中心軸とを示す図 実施の形態１に係る電子デバイスの金属導体部の各種断面形状と中心軸とを示す図 実施の形態１に係る電子デバイスの金属導体部の各種断面形状と中心軸とを示す図 実施の形態１に係る電子デバイスの金属導体部の各種断面形状と中心軸とを示す図 実施の形態１に係る電子デバイスの金属導体部の各種断面形状と中心軸とを示す図 実施の形態１に係る電子デバイスの金属導体部の各種断面形状と中心軸とを示す図 実施の形態１に係る電子デバイスの金属導体部の各種断面形状と中心軸とを示す図 実施の形態１に係る電子デバイスの金属導体部の各種断面形状と中心軸とを示す図 実施の形態１に係るさらに他の電子デバイスの平面図 図３Ａの断面３Ｂ−３Ｂに沿った断面図 図３Ｂの断面３Ｃ−３Ｃに沿った断面図 実施の形態１に係るさらに他の電子デバイスの平面図 図３Ｄの断面３Ｅ−３Ｅに沿った断面図 図３Ｅの断面３Ｆ−３Ｆに沿った断面図 実施の形態１に係るさらに他の電子デバイスの平面図 図３Ｇの断面３Ｈ−３Ｈに沿った断面図 図３Ｈの断面３Ｉ−３Ｉに沿った断面図 実施の形態１に係るさらに他の電子デバイスの平面図 図３Ｊの断面３Ｋ−３Ｋに沿った断面図 図３Ｋの断面３Ｌ−３Ｌに沿った断面図 実施の形態２に係る磁気抵抗効果素子の平面図 実施の形態２に係る磁気抵抗効果素子の正面図 図４Ｂの断面４Ｃ−４Ｃに沿った断面図 実施の形態２に係る磁気抵抗効果素子の作用を説明するための平面図 実施の形態２に係る磁気抵抗効果素子の作用を説明するための平面図 実施の形態３に係る磁気ヘッドの平面図 実施の形態３に係る磁気ヘッドの正面図 実施の形態４に係る記録再生装置の正面図 実施の形態５に係る第１のメモリ素子の平面図 実施の形態５に係る第１のメモリ素子の正面図 実施の形態５に係る第１のメモリ素子の作用を説明するための平面図 実施の形態５に係る第２のメモリ素子の平面図 実施の形態５に係る第２のメモリ素子の作用を説明するための平面図 実施の形態５に係るメモリアレイの斜視図 実施の形態６に係る磁気抵抗効果素子の斜視図 実施の形態６に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための斜視図 実施の形態６に係る電子デバイスを説明するための斜視図 実施の形態６に係る電子デバイスの製造方法を説明するための斜視図 実施の形態６に係る他の電子デバイスの製造方法を説明するための平面図 実施の形態６に係る他の電子デバイスの製造方法を説明するための平面図 実施の形態６に係る他の電子デバイスの製造方法を説明するための平面図
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｐ 金属導体部
２、３、２Ｂ、３Ｂ、２Ｃ、３Ｃ、２Ｅ、３Ｅ、２Ｆ、３Ｆ、２Ｇ、３Ｇ、２Ｐ、３Ｐ 電極
４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４Ｆ、４Ｐ 支持体
５、６、５Ｅ、６Ｅ、５Ｆ、６Ｆ 対向面
７、７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ、７Ｅ、７Ｆ、７Ｐ 金属導体薄膜
８ 基板
９ 触媒
１０ リード線
１１ 自由層
１２ 固定層
１３ 磁性膜
１４ 反強磁性膜
１５ 絶縁膜
１７ 記録ヘッド部
１８ 再生ヘッド部
１９ 磁気記録媒体
２０ ワード線
２１Ａ、２１Ｂ 電流
２２ 電流供給器
２３、２４ 電流
２５ 電流供給器
２６ 探針
２７ 貫通孔
２８ 絶縁膜
２９ 溝
３０ 磁化容易軸
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｐ 電子デバイス
２００、２００Ａ 磁気抵抗効果素子
３００ 磁気ヘッド
４００ 記録再生装置
５００、６００ メモリ素子
７００ メモリアレイ
Ｌ ブリッジ長さ
Ｇ１ 記録ギャップ
Ｇ２ 読み出しギャップ
ＢＬ ビット長
ＰＬ 固定層
ＭＬ 磁性膜
ＡＦ 反強磁性膜
ＮＬ 絶縁膜
ＦＬ 自由層
Ｃ 金属導体
Ｈ 外部磁界

Claims (19)

  1. 磁性体を含む第１電極および第２電極と、
    前記第１電極および前記第２電極上に電気的に接続された金属導体薄膜とを備えた磁気抵抗効果素子であって、
    前記金属導体薄膜は、前記第１電極および前記第２電極の底面に垂直な方向から見て、前記第１電極および前記第２電極間の隙間をブリッジする金属導体部を含み、
    前記金属導体部のブリッジ長さＬは、前記磁気抵抗効果素子の作動温度における前記金属導体部中の電子のスピン拡散長と、前記磁気抵抗効果素子の作動温度における前記金属導体部中の電子の平均自由行程Λとの大きい方の値以下であり、
    前記第１電極の断面積Ｓ１、前記第２電極の断面積Ｓ２および前記金属導体部の断面積Ｓ３は、
    Ｓ３＜Ｓ１、かつＳ３＜Ｓ２、
    なる関係を満足し、
    前記磁気抵抗効果素子は、前記ブリッジ長さＬの隙間を空けて基板上に形成された前記第１電極および前記第２電極と、
    ナノチューブおよびナノワイヤーからなる群より選択される少なくとも１つを含み、前記底面に垂直な方向から見て、前記第１電極および前記第２電極間の隙間をブリッジする支持体と、
    前記支持体上、ならびに前記第１電極および前記第２電極上に堆積された前記金属導体薄膜とを備え、
    前記支持体上の前記金属導体薄膜と前記第１電極および前記第２電極上の前記金属導体薄膜とが連続して形成されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  2. 前記第１電極は、外部磁界に対して容易に磁化回転する自由層を含み、
    前記第２電極は、外部磁界に対して容易に磁化回転しない固定層を含み、
    前記自由層の磁化容易軸が、検出すべき外部磁界の方向と直交する請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  3. 前記固定層が、反強磁性膜と、
    前記反強磁性膜上に形成され、前記反強磁性膜によってピンニングされた磁性膜とを含み、
    前記磁性膜が、前記金属導体部と電気的に接続される請求項２に記載の磁気抵抗効果
    素子。
  4. 前記支持体が、カーボンナノチューブを含む請求項１〜３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 前記支持体が、自己組織化可能なタンパク質ナノワイヤーとシリコンナノワイヤーとの少なくとも１つを含む請求項１〜３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
  6. 前記金属導体薄膜が、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群より選択される少なくとも１つを含む請求項１〜５のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
  7. 前記第１電極および前記第２電極が、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群より選択される少なくとも１つを含む請求項１〜６のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
  8. 前記磁気抵抗効果素子の作動温度が、４．２Ｋ以上５２３Ｋ以下である請求項１〜７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
  9. 請求項１〜８のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子と、
    前記磁気抵抗効果素子の前記第１電極に電気的に接続された第１リード線と、
    前記磁気抵抗効果素子の前記第２電極に電気的に接続された第２リード線とを備えた磁気ヘッド。
  10. 磁気媒体に情報を記録する記録ヘッドと、
    前記磁気媒体に記録された情報を再生する再生ヘッドとを備えた記録再生装置において、
    前記再生ヘッドが、請求項９に記載の磁気ヘッドであることを特徴とする記録再生装置。
  11. 請求項１に記載の磁気抵抗効果素子を備え、
    前記磁気抵抗効果素子の前記第１電極は、外部磁界に対して容易に磁化回転する自由層を含み、
    前記第２電極は、前記外部磁界に対して容易に磁化回転しない固定層を含むメモリ素子であって、
    前記自由層および前記固定層の磁化方向を互いに平行または反平行に変化させる外部磁界を電流に基づいて発生するワード線と、
    前記ワード線に前記電流を供給する電流供給器とをさらに備え、
    前記ワード線から発生した前記外部磁界に基づいて前記磁化方向を互いに平行または反平行に変化させることにより、前記磁気抵抗効果素子に情報が書き込まれ、
    前記磁気抵抗効果素子の抵抗を測定することにより前記磁気抵抗効果素子に書き込まれた情報が読み出されるメモリ素子。
  12. 請求項１〜８のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子と、
    前記第１電極から前記第２電極へ向かって前記金属導体部を流れる電流と、前記第２電極から前記第１電極へ向かって前記金属導体部を流れる電流とのいずれかを前記磁気抵抗効果素子に供給する電流供給器とを備えたメモリ素子であって、
    前記磁気抵抗効果素子の前記金属導体部を流れる電流の方向を反転させて前記第１電極および前記第２電極の磁化方向を平行または反平行に変化させることにより前記磁気抵抗効果素子に情報が書き込まれ、前記第１電極および前記第２電極の磁化方向に応じて異なる前記磁気抵抗効果素子の抵抗値を測定することにより前記磁気抵抗効果素子に書き込まれた情報が読み出されるメモリ素子。
  13. 前記電流供給器によって前記磁気抵抗効果素子に供給される前記電流の電流密度が、１．０×１０5 Ａ／ｃｍ2 以上である請求項１２に記載のメモリ素子。
  14. マトリックス状に配置された請求項１〜８のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子と、
    各磁気抵抗効果素子に独立に情報を書き込み、情報を読み出すための配線と、
    各磁気抵抗効果素子の前記金属導体部を流れる電流の方向を反転させて前記第１電極および前記第２電極の磁化方向を平行または反平行に変化させることにより前記磁気抵抗効果素子に前記配線を介して独立に情報を書き込む書き込み器と、
    前記第１電極および前記第２電極の磁化方向に応じて異なる各磁気抵抗効果素子の抵抗値を測定することにより前記磁気抵抗効果素子に書き込まれた情報を前記配線を介して独立に読み出す読み出し器とを備えたメモリアレイ。
  15. 磁性体を含む第１電極および第２電極を隙間Ｌを空けて基板上に形成する工程と、
    ナノチューブおよびナノワイヤーからなる群より選択される少なくとも１つを含み、前記第１電極および前記第２電極の底面に垂直な方向から見て、前記第１電極および前記第２電極間の隙間をブリッジする支持体を形成する工程と、
    前記支持体上、ならびに前記第１電極および前記第２電極上に連続させて金属導体薄膜を堆積させる方法により、前記第１電極および前記第２電極の底面に垂直な方向から見て、前記第１電極および前記第２電極間の隙間をブリッジする金属導体部を形成する工程とを含む磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
    前記隙間Ｌは、前記磁気抵抗効果素子の作動温度における前記金属導体部中の電子のスピン拡散長と、前記磁気抵抗効果素子の作動温度における前記金属導体部中の電子の平均自由行程Λとの大きい方の値以下であり、
    前記第１電極の断面積Ｓ１、前記第２電極の断面積Ｓ２および前記金属導体部の断面積Ｓ３は、
    Ｓ３＜Ｓ１、かつＳ３＜Ｓ２、
    なる関係を満足する磁気抵抗効果素子の製造方法。
  16. 前記支持体が、カーボンナノチューブを含み、
    前記支持体を形成する工程は、前記カーボンナノチューブの形成反応を促進する触媒を前記第１電極および前記第２電極上に設け、前記カーボンナノチューブを含む前記支持体を化学気相成長法（ＣＶＤ）により形成する請求項１５に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
  17. 前記支持体を形成する工程は、互いに異なる電圧を前記第１電極および前記第２電極にそれぞれ印加しながら前記カーボンナノチューブを含む前記支持体を形成する請求項１６に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
  18. 前記触媒がＦｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群より選択される少なくとも１つを含む請求項１６または１７に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
  19. 前記金属導体部を形成する工程は、物理的気相成長法（ＰＶＤ）により前記金属導体薄膜を堆積させる請求項１５〜１８のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
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