以下、本発明の実施形態について図面を参� ��しつつ説明する。なお、各図面中、同様の� ��成要素には同一の符号を付して詳細な説明� ��適宜省略する。 
 図1は、本発明の実施形態に係る情報記録再 生装置の一例(具体例1)における情報の記録/� �生の基本原理を説明するための概念図であ� �。

 図1(a)は、記録部の断面図である。この記 録部は、記録層12の両側を電極層11及び電極� �13により挟んだ構造を有する。電極層11、13� �、記録層12に対して電気的な接続を得るため に設けられている。また、電極層11、13は、� �えば、記録層12とその上下の構成要素との間 の元素の拡散などを防止するバリア層として の機能を併有していてもよい。さらに、記録 部には、バッファ層10が付設されている。

 図1に表した記録部において、記録層12内� ��小さな白丸はAイオン(例えば、拡散イオン)� ��、小さな黒丸はMイオン(例えば、母体イオ� �)を、大きな白丸はXイオン(例えば、陰イオ� �)を、小さな網掛けの丸は金属状態のAを表す 。

 記録層12は、電圧印加によってその抵抗� �変化し得る、遷移金属の酸化物、ポリマー� �または固体電界質からなる。記録層12は、具 体的には、少なくとも2種類の陽イオン元素� �有する化合物から構成することができる。� �の場合、記録層12は、陽イオン元素の少なく ともいずれかは電子が不完全に満たされたd� �道を有する遷移元素であり、隣接する陽イ� �ン元素間の最短距離は0.32nm以下である第1化� ��物を有する。この化合物からなる記録層12� �用いることにより、比較的小さい消費電力� �抵抗変化を生ずることが可能となる。この� �うな記録層12の材料としては、例えば以下が 挙げられる。

 例えば、A _x M _y X ₄ (0.1≦x≦2.2、1.5≦y≦2)で表されるスピネル構� ��である。AとMは、互いに異なる元素であり� �少なくともいずれかは電子が不完全に満た� �れたd軌道を有する遷移元素である。XはO(酸� ��)、N(窒素)よりなる群から選択された少なく ともいずれかを含む元素である。

 Aは、Na,K,Rb,Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Al,Ga,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,S,P, S,Se,Ge,Ag,Au,Cd,Sn,Sb,Pt,Pd,Hg,Tl,Pb,Bi のグループか ら選択される少なくとも1種類の元素である� � 
 また、Aは、Mg,Mn,Fe,Co,Ni,Zn,Cd,Hg のグループ� �ら選択される少なくとも1種類の元素とする� ��が好ましい。これらの元素を使用すると、� ��晶構造を維持するためのイオン半径が最適� ��なり、イオン移動度についても十分に確保� ��きるからである。また、イオンの価数を2価 に制御することが容易となる。

 また、Aは、Zn,Cd,Hg から選択される少なく� �も1種類の元素とするのがさらに好ましい。� ��れらの元素を使用すると、陽イオンの移動� ��生じやすくなるためである。
 Mは、Al,Ga,Ti,Ge,Sn,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Nb,Ta,Mo,W,Re,Ru,Rh  のグループから選択される少なくとも1種類 の元素である。

 また、Mは、Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Re,Fe,Co,Ni,Al ,Ga のグループから選択される少なくとも1種 類の元素とするのが好ましい。これらの元素 を使用すると、結晶内の電子状態をコントロ ールし易くなるためである。 
 また、Mは、Cr,Mo,W,Mn,Re のグループ(便宜上� �グループ1」と称す)から選択される少なくと も1種類の遷移元素とするのがさらに好まし� �。これらの元素を使用すると、母体構造が� �定に保持されるため、安定にスイッチング� �繰り返すことができるからである。

 また、Mは、Fe,Co,Ni,Al,Ga のグループから� �択される少なくとも1種類の元素を、前記グ� ��ープ1の遷移元素に加えて含むことがさらに 好ましい。グループ1の元素の一部の代わり� �これらの元素を使用すると、母体構造がよ� �安定に保持されることによって、より安定� �スイッチングを繰り返すことができるため� �ある。

 他には、例えば、A _x M _y X ₂ (0.1≦x≦1.1、0.9≦y≦1.1)で表されるデラフォ� �イト構造である。AとMは、互いに異なる元素 であり、少なくともいずれかは電子が不完全 に満たされたd軌道を有する遷移元素である� �XはO(酸素)、N(窒素)よりなる群から選択され� ��少なくともいずれかを含む元素である。

 Aは、Li,Na,Be,Mg,Ca,Cu,Ag,Au,Pt,Pd,Rh,Hg,Tl のグル� �プから選択される少なくとも1種類の元素で� ��る。 
 また、Aは、Mg,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Ag,Zn のグループ� �ら選択される少なくとも1種類の元素とする� ��がさらに好ましい。これらの元素を使用す� ��と、結晶構造を維持するためのイオン半径� ��最適となり、イオン移動度についても十分� ��確保できるからである。また、配位数を2に 制御することが容易となる。

 また、Aは、Cu,Ag のグループから選択され� �少なくとも1種類の元素であることが好まし� ��。これらの元素を使用すると、容易にデラ� ��ォサイト構造をとることができるからであ� ��。 
 Mは、Al,Ga,Sc,In,Y,La,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Tb,L u,Ti,Ge,Sn,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Nb,Ta,Mo,W,Ru,Rh,Pd のグル� �プから選択される少なくとも1種類の元素で� ��る。 
 また、Mは、Y,Sc,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Al,Ga のグルー� ��から選択される少なくとも1種類の元素とす るのがさらに好ましい。これらの元素を使用 すると、結晶内の電子状態をコントロールし 易くなるためである。

 また、Mは、Fe,Co,Al のグループから選択� �れる少なくとも1種類の元素とすることがさ� ��に好ましい。これらの元素を使用すると、� ��易にデラフォサイト構造をとることができ� ��からである。

 他には、例えば、A _x M _y X ₄ (0.5≦x≦1.1、0.7≦y≦1.1)で表されるウルフラ� �イト構造である。AとMは、互いに異なる元素 であり、少なくともいずれかは電子が不完全 に満たされたd軌道を有する遷移元素である� �XはO(酸素)、N(窒素)よりなる群から選択され� ��少なくともいずれかを含む元素である。

 Aは、Na,K,Rb,Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Al,Ga,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu ,Zn,Si,P,S,Se,Ge,Ag,Au,Cd,Sn,Sb,Pt,Pd,Hg,Tl,Pb,Bi のグル ープから選択される少なくとも1種類の元素� �ある。 
 また、Aは、Ti,V, Mn,Fe,Co,Ni のグループから� ��択される少なくとも1種類の元素とするのが 好ましい。これらの元素を使用すると、結晶 構造を維持するためのイオン半径が最適とな り、イオン移動度についても十分に確保でき るからである。また、イオンの価数を2価に� �御することが容易となる。

 また、Aは、Mn,Fe,Co,Ni のグループから選� �される少なくとも1種類の元素とするのがさ� ��に好ましい。これらの元素を使用すると、� ��易に抵抗変化を起こすことができるからで� ��る。

 Mは、V,Nb,Ta,Cr,Mn,Mo,W のグループから選択さ� ��る少なくとも1種類の元素である。 
 また、Mは、Cr,Mo,W のグループから選択され る少なくとも1種類の元素とするのがさらに� �ましい。これらの元素を使用すると、容易� �ウルフラマイト構造をとることができるか� �である。

 他には、例えば、A _x M _y X ₃ (0.5≦x≦1.1、0.9≦y≦1)で表されるイルメナイ� ��構造である。AとMは、互いに異なる元素で� �り、少なくともいずれかは電子が不完全に� �たされたd軌道を有する遷移元素である。Xは O(酸素)、N(窒素)よりなる群から選択された少 なくともいずれかを含む元素である。

 Aは、Na,K,Rb,Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Al,Ga,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Si,P ,S,Se,Ge,Ag,Au,Cd,Sn,Sb,Pt,Pd,Hg,Tl,Pb,Bi のグループ� �ら選択される少なくとも1種類の元素である� �� 
 また、Aは、Mg,Mn,Fe,Co,Ni,Zn のグループから� �択される少なくとも1種類の元素とするのが� ��ましい。これらの元素を使用すると、結晶� ��造を維持するためのイオン半径が最適とな� ��、イオン移動度についても十分に確保でき� ��からである。また、イオンの価数を2価に制 御することが容易となる。

 また、Aは、Fe, Niのグループから選択さ� �る少なくとも1種類の元素とするのがさらに� ��ましい。これらの元素を使用すると、容易� ��イルメナイト構造をとることができるから� ��ある。

 Mは、Al,Ga,Ti,Ge,Sn,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Nb,Ta,Mo,W,Re,Ru,Rh  のグループから選択される少なくとも1種類 の元素である。 
 また、Mは、Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mn,Fe,Co,Ni のグル ープから選択される少なくとも1種類の元素� �するのがさらに好ましい。これらの元素を� �用すると、結晶内の電子状態をコントロー� �し易くなるためである。

 また、Mは、Ti, Zr, Hf, V のグループから 選択される少なくとも1種類の元素とするの� �好ましい。これらの元素を使用すると、容� �にイルメナイト構造をとることができるか� �である。

 なお、A _x M _y X ₄ (0.1≦x≦2.2、1.5≦y≦2)で表されるスピネル構� ��と、A _x M _y X ₂ (0.1≦x≦1.1、0.9≦y≦1.1)で表されるデラフォ� �イト構造と、A _x M _y X ₄ (0.5≦x≦1.1、0.7≦y≦1.1)で表されるウルフラ� �イト構造と、A _x M _y X ₃ (0.5≦x≦1.1、0.9≦y≦1)で表されるイルメナイ� ��構造と、のモル比x,yに関し、数値範囲の下� ��は、結晶構造を維持するために設定され、� ��の上限は、結晶内の電子状態をコントロー� ��するために設定される。

 また、前述したように、電圧の印加によ� ��てAイオンの拡散を容易に生ぜしめるために は、電極間を結ぶ方向にAイオン元素の層が� �置しているようにすることができる。この� �めには、スピネル構造、イルメナイト構造� �及びデラフォサイト構造では、結晶のc軸が� ��面と平行に配置していることが好ましく、� ��ルフラマイト構造では、結晶のa軸が膜面と 平行に配置していることが好ましい。

 以上のような記録層を所望の配向として使� ��することで、原理的には、Pbpsi(peta bit per  square inch)級の記録密度を実現することがで� �、さらに、低消費電力化も達成できる。 
 上述した構造を有する材料によれば、図1に おいて、Aイオンが容易に第1化合物内を拡散� ��、かつ、Mイオンは第1化合物内を拡散しな� �ように、2種類の陽イオン元素が選択される� ��この場合、拡散しないMイオンが第1化合物� �結晶構造を保持するため、Aイオンの移動を� ��易に制御することが可能となる。このため� ��このような構造を有する第1化合物を用いる ことにより、情報記録再生装置の記録層12の� ��抗値を容易に変化させることができる。

 ここで、本明細書においては、高抵抗状� ��をリセット(初期)状態とし、低抵抗状態を� �ット状態とする。ただし、これは便宜上の� �のであり、材料の選択や製造方法等によっ� �は、これと逆の場合、すなわち、低抵抗状� �がリセット(初期)状態となり、高抵抗状態が セット状態となることもある。このような場 合も、本実施形態の範囲に含まれる。

 記録層12に電圧を印加し、記録層12内に電 位勾配を発生させると、Aイオンの一部が結� �中を移動する。そこで、本実施形態では、� �録層12の初期状態を絶縁体(高抵抗状態相)と� ��、電位勾配により記録層12を相変化させ、� �録層12に導電性を持たせる(低抵抗状態相)こ� ��により情報の記録を行う。

 まず、例えば、電極層13の電位が電極層11の 電位よりも相対的に低い状態を作る。電極層 11を固定電位(例えば、接地電位)とすれば、� �極層13に負の電位を与えればよい。 
 この時、記録層12内のAイオンの一部が電極� ��13(陰極)側に移動し、記録層(結晶)12内のAイ� ��ンの数がXイオンに対して相対的に減少する 。電極層13側に移動したAイオンは、電極層13� ��ら電子を受け取り、メタルであるA原子とし て析出してメタル層14を形成する。したがっ� ��、電極層13に近い領域では、Aイオンが還元� ��れてメタル的に振舞うので、その電気抵抗� ��大きく減少する。

 あるいは、例えばスピネル構造のように� ��録層12の結晶構造においてAイオンが占め得� ��空隙サイトがある場合には、電極層13側に� �動したAイオンは電極層13側の空隙サイトを� �めてもよい。この場合にも、局所的な電荷� �中性条件を満たすために、Aイオンは電極層1 3から電子を受け取り、メタル的に振舞う。

 記録層12の内部では、Xイオンが過剰とな� ��、結果的に、記録層12内に残されたAイオン� ��るいはMイオンの価数を上昇させる。このと き、その価数が上がったときに電気抵抗が減 少するようにAイオンあるいはMイオンを選択� ��ると、メタル層12A、記録層12内ともにAイオ� ��の移動により電気抵抗が減少するので、記� ��層全体として低抵抗状態相へと相変化する� ��つまり、情報記録(セット動作)が完了する� �

 情報再生に関しては、例えば電圧パルスを� ��録層12に印加し、記録層12の抵抗値を検出す ることにより容易に行える。ただし、電圧パ ルスの振幅は、Aイオンの移動が生じない程� �の微小な値であることが必要である。 
 以上説明した過程は、一種の電気分解であ� ��、電極層(陽極)11側では電気化学的酸化によ り酸化剤が生じ、電極層(陰極)13側では電気� �学的還元により還元剤が生じた、と考える� �とができる。 
 このため、低抵抗状態相を高抵抗状態相に� ��すには、例えば、記録層12を大電流パルス� �よりジュール加熱して、記録層12の酸化還元 反応を促進させればよい。すなわち、大電流 パルスによるジュール熱のため、Aイオンは� �的により安定な結晶構造12内へと戻り、初期 の高抵抗状態相が現れる(リセット動作)。

 あるいは、セット動作時とは逆向きの電� ��パルスを印加してもリセット動作を行うこ� ��ができる。つまり、セット時と同様に電極� ��11を固定電位(例えば、接地電位)とすれば、 電極層13に正の電位を与えればよい。すると� ��電極層13近傍のA原子は電極層13に電子を与� �Aイオンとなった後、記録層12内の電位勾配� �より結晶構造12内に戻っていく。これにより 、価数が上昇していた一部のAイオンは、そ� �価数が初期と同じ値に減少するため、初期� �高抵抗状態相へと変化する。

 ただし、この動作原理を実用化するには� ��室温でリセット動作が生じないこと(十分に 長いリテンション時間の確保)と、リセット� �作の消費電力が十分に小さいこととを確認� �なければならない。

 前者に対しては、Aイオンの配位数を小さく (理想的には2以下に)する、または、その価数 を2以上にする、もしくは、Xイオンの価数を� ��げる(理想的には3以上にする)ことで対応で� ��る。 
 仮に、AイオンがLiイオンのような1価である と、セット状態において十分なイオンの移動 抵抗が得られず、即座に、Aイオン元素は、� �タル層12Aから記録層12内に戻ってしまう。言 い換えれば、十分に長いリテンション時間が 得られないということになる。また、Aイオ� �が3価以上であると、セット動作に必要とさ� ��る電圧が大きくなるため、結晶の崩壊を引� ��起こす可能性がある。したがって、Aイオン の価数を2価にすることが、情報記録再生装� �としては好ましいことになる。

 また、後者に対しては、結晶破壊を引き� ��こさないようにするために、Aイオンの価数 を2以下にするとともに、記録層(結晶)12内をA イオンが移動できるように、Aイオンのイオ� �半径を最適化し、移動パスが存在する構造� �用いることにより対応できる。そのような� �録層12としては、前述したような元素及び結 晶構造を採用すればよい。

 デラフォサイト構造のように配位数が小� ��い陽イオンをAイオンとして用いる場合には (デラフォサイト構造の場合、Aイオンの配位� ��は2)、Aイオンの価数を+1価とし、クーロン� �発力を減少させることができる。これによ� �、Aイオンの拡散が容易となり、リセット動� ��の消費電力を低減することができる。また� ��配位数が小さいため、拡散した後の状態を� ��定に保持することが可能となる。

 次に、各原子の混合比の最適値について説� ��する。 
 Aイオンが占め得る空隙サイトがある場合や 、また、本来Mイオンが占めるサイトをAイオ� ��が占めることが可能な場合には、Aイオンの 混合比には若干の任意性がある。さらに、X� �オンの過剰/欠損がある場合にもAイオン、ま たはMイオンの混合比は定比組成のそれから� �れることになる。したがって、Aイオン、Mイ オンの混合比には幅を持たせてある。実際に は、各状態の抵抗、あるいはAイオンの拡散� �数が最適値になるように、Aイオンの混合比� ��最適化することが可能である。

 Aイオン、Mイオンの混合比の下限は、所望� �結晶構造を有する第1化合物を容易に作製で� ��るように設定した。また、Mイオンのサイト を占めるイオンの総量が少なすぎると、Aイ� �ンが引き抜かれた後の構造を安定に保持す� �のが困難になる。 
 以上説明したように、本実施形態によれば� ��上述した材料を記録層12に使用することに� �り陽イオンの拡散を容易にすることができ� �抵抗変化に必要な消費電力を小さくし、熱� �定性を高めることができる。また、結晶構� �内の陽イオン元素の拡散のみを利用して抵� �変化を生ぜしめるため、動作特性の制御が� �易で、セル間の動作特性のばらつきが小さ� �情報記録再生装置を実現できる。

 また、結晶構造内部と結晶粒の周縁部に� ��いては、イオンの移動のしやすさが異なる� ��め、結晶構造内における拡散イオンの移動� ��利用し、異なる位置での記録消去特性を均� ��にするためには、記録層は多結晶状態、あ� ��いは単結晶状態からなることが好ましい。� ��録層が多結晶状態にあるときにおいては、� ��膜のしやすさを考慮すると、結晶粒の記録� ��断面方向のサイズは、単一のピークをもつ� ��布に従い、その平均は3nm以上であることが� ��ましい。結晶粒サイズの平均が5nm以上であ� ��と、成膜がより容易であるため、さらに好� ��しく、10nm以上であると、異なる位置での記 録消去特性をさらに均一化させることができ るため、より好ましい。

 ところで、セット動作後の電極層(陽極)11側 には酸化剤が生じるため、電極層11には、酸� ��され難い材料(例えば、電気伝導性窒化物、 電気伝導性酸化物など)から構成するのが好� �しい。 
 また、電極層11は、イオン伝導性を有しな� �材料から構成するのがよい。 
 そのような材料としては、以下に示される� ��のがあり、その中でも、電気伝導率の良さ� ��どを加味した総合的性能の点から、LaNiO ₃ は、最も望ましい材料ということができる。

 ・ MN 
 Mは、Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta のグループから選択され る少なくとも1種類の元素である。Nは、窒素� ��ある。

 ・ MO _x  
 Mは、Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zr,Nb,Mo,Ru,Rh,Pd,Ag,Hf,Ta,W ,Re,Ir,Os,Pt のグループから選択される少なく� ��も1種類の元素である。モル比xは、1≦x≦4� �満たすものとする。

 ・ AMO ₃  
 Aは、La,K,Ca,Sr,Ba,Ln(ランタノイド) のグルー� ��から選択される少なくとも1種類の元素であ る。 
 Mは、Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zr,Nb,Mo,Ru,Rh,Pd,Ag,Hf,Ta,W ,Re,Ir,Os,Pt のグループから選択される少なく� ��も1種類の元素である。 
 Oは、酸素である。

 ・ A ₂ MO ₄  
 Aは、K,Ca,Sr,Ba,Ln(ランタノイド) のグループ� ��ら選択される少なくとも1種類の元素である 。 
 Mは、Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zr,Nb,Mo,Ru,Rh,Pd,Ag,Hf,Ta,W ,Re,Ir,Os,Pt のグループから選択される少なく� ��も1種類の元素である。 
 Oは、酸素である。

 また、セット動作後の保護層(陰極)13側には 還元剤が生じるため、保護層(電極層)13とし� �は、記録層12が大気と反応することを防止す る機能を持っていることが望ましい。 
 そのような材料としては、例えば、アモル� ��ァスカーボン、ダイヤモンドライクカーボ� ��、SnO ₂ などの半導体がある。

 電極層13は、記録層12を保護する保護層とし て機能させてもよいし、電極層13の代わりに� ��護層を設けてもよい。この場合、保護層は� ��絶縁体でもよいし、導電体でもよい。 
 また、リセット動作において記録層12の加� �を効率よく行うために、陰極側、ここでは� �電極層13側に、ヒータ層(抵抗率が約10 ^-5 ωcm以上の材料)を設けてもよい。

 次に、本発明の実施形態に係る情報記録再� ��装置の別の一例(具体例2)について、図2~図4� ��参照しつつ説明する。 
 図2は、具体例2における情報の記録/再生の� ��本原理を説明するための概念図である。

 図2(a)及び図2(b)は、記録部の断面図であ� �。この記録部は、記録層12の両側を電極層11� ��び電極層13により挟んだ構造を有する。記� �層12は、第1化合物を含む第1化合物層12Aと、� ��1化合物層12Aと電極層13との間に設けられた� ��縁層12Cと、を有する。

 図2に表した記録部において、記録層12内� ��小さな白丸はAイオン(例えば、拡散イオン)� ��、小さな黒丸はMイオン(例えば、母体イオ� �)を、小さな斜線の丸はM3イオン(例えば、母� ��イオン)を、大きな白丸はXイオンまたはX3イ オン(例えば、陰イオン)を、小さな網掛けの� ��は金属状態のAを表す。

 第1化合物層12Aは、前述した第1化合物を� �む。ここで、第1化合物の構成要素である拡� ��イオン(Aイオン)の元素は、周期表の1族~4族� ��元素及び12族~17族の元素から選択される元� �である。以下、周期表の1族~4族の元素及び12 族~17族の元素、並びにこれらから選択される 元素を、「特定族元素」と呼ぶ。第1化合物� �12Aは、外部から電場を印加することによっ� �イオンを移動させることができる、いわゆ� �固体電解質である。

 絶縁層12Cは、特定族元素からなる第3化合 物12Cによって構成される。第3化合物12Cも、� �部から電場を印加することによってイオン� �移動させることができる固体電解質である� �第3化合物12C中の特定族元素の少なくとも1種 は、第1化合物12A中のAイオン元素と同じ価数� ��有しかつAイオン元素のイオン半径と同じか またはこれに近い(例えば、±20%程度の範囲の )イオン半径を有する元素である。具体的に� �、Aイオン元素と同じ元素等である。

 このような第3化合物12Cの材料としては、(i) AX、(ii)AMX ₂ 、(iii)AM ₂ X ₄ 、(iv)A ₂ MX ₄ 、(v)AMX ₃ 、(vi)AMX ₄ のうちから選択される材料が挙げられる。

 ただし、Aは、Na,K,Rb,Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Al,Ga,Zn,Cd� �グループから選択される少なくとも1種類の� ��素であり、Mは、B,Al,Ga,In,Si,Ge,Sn,Ti,Zr,Hf,As,Sb,P b,Bi,Sc,Y,Ln(ランタノイド)のグループから選択� ��れる少なくとも1種類の元素である。AとMは� ��いに異なる元素である。Xは、F,O,Nのグルー� ��から選択される少なくとも1種類の元素であ る。

 Aは、Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Zn,Cdから選択される少な� ��とも1種類の元素であることが好ましく、Mg, Znから選択される少なくとも1種類の元素であ ることがより好ましく、Znであることが結晶� ��促進効果を有するため最も好ましい。またM は、Al,Gaから選択される少なくとも1種類の元 素であることが好ましい。これらの元素を使 用することにより、結晶性が高く酸化還元に 対する耐性も高い材料を得ることができる。

 また、第3化合物12Cに使用する材料には、ス ピネル構造、イルメナイト構造、ウルフラマ イト構造、α-NaFeO ₂ 構造、LiMoN ₂ 構造、閃亜鉛鉱型構造、岩塩型構造、蛍石構 造よりなる群から選択された少なくともいず れかを含む構造を有する材料を用いることが できる。

 また、スイッチング時において、拡散イ� ��ン元素が移動する第1化合物12A内の通路と第 3化合物12C内の通路とが連続的に繋がってい� �ことが好ましい。さらに、これら第1化合物1 2A及び第3化合物12Cの骨格構造(結晶構造及び� �晶方位)が同等であることが最も好ましい。

 以上のような材料を記録層12に使用する� �とで、記録密度に関しては、原理的にはPbpsi (Peta bit per square inch)級を実現でき、さらな る低消費電力化が達成できる。

 次に、絶縁層12Cの性質及び機能について説� ��する。 
 絶縁層12C(第3化合物12C)は、消費電力の低減� ��のために設けられるものである。絶縁層12C� ��、(1)Aイオン元素を通過させ、動作を可能な らしめる、(2)動作前後で抵抗状態は不変で、 安定動作を可能ならしめる、及び(3)抵抗率が 高く、効率的な加熱に資するとともにオン電 流(低抵抗状態における電流)を低減化する、� ��いう性質及び機能を有する。以下、絶縁層1 2Cが有するこれらの性質について説明する。

 まず、絶縁層12Cは、(1)Aイオン元素を通過さ せ、動作を可能ならしめる、という性質を有 することについて説明する。 
 本具体例の情報記録再生装置も、具体例1の 情報記録再生装置と同様に、記録層12におい� ��拡散イオン(Aイオン)元素が移動し、記録層1 2の抵抗状態(高抵抗状態及び低抵抗状態)を変 化させ、これにより各種動作(スイッチング)� ��行っている。具体的には、例えばセット動� ��時では、Aイオン元素が電極層13側に移動し� ��メタル層14が形成されるとともに、第1化合� ��12Aの構成元素の価数が変化して第1化合物層 12Aの抵抗状態が変化することにより、セット 動作が行われている。このため、電極層13と� ��1化合物層12Aとの間にある絶縁層12Cは、Aイ� �ン元素を通過させる性質を有することが求� �られる。

 この課題は、第3化合物12Cを構成する特定 族元素の少なくとも1種を適宜選択すること� �よって解消される。具体的には、第3化合物1 2Cを構成する特定族元素の少なくとも1種を、 第1化合物12A中のAイオン元素と同じ価数を有� ��かつAイオン元素のイオン半径と同じかまた はこれに近い(例えば、±20%程度の範囲の)イ� �ン半径を有する元素(例えば、Aイオン元素と 同じ元素)にすることである。以下、この適� �選択された第3化合物12C中の特定族元素を、� ��Dcイオン元素」(第3化合物12C中の拡散(diffusio n)イオン元素、の意)ということがある。

 これにより、Dcイオン元素はAイオン元素� ��同様に電場印加により拡散することが可能� ��なるとともに、第1化合物層12Aに由来するA� �オン元素と、絶縁層12Cに由来するDcイオン元 素とは互いに置換可能となる。この結果、A� �オン元素は動作時に絶縁層12Cを通過するこ� �が可能となる。

 すなわち、図2に表したように、セット動 作時においては、絶縁層12C内のDcイオン元素� ��電極層13側に移動し、その結果生じた空間� �第1化合物層12Aから移動してきたAイオン元素 が順次通り抜ける。セット動作完了時には、 絶縁層12Cの第3化合物12Cは、Dcイオン元素の全 部または一部が第1化合物層12Aから移動して� �たAイオン元素によって置換された構造とな� ��。

 逆にリセット動作時においては、図2に表 したように、絶縁層12C内の拡散イオン元素(A� ��オン元素またはDcイオン元素)が電極層11側� �移動し、その結果生じた空間をメタル層14か ら移動してきた拡散イオン元素が順次通り抜 ける。リセット動作完了時には、絶縁層12Cの 第3化合物12Cは、既存拡散イオン元素の全部� �たは一部がメタル層14から移動してきた拡散 イオン元素によって置換された構造となる。

 次に、絶縁層12Cは、(2)動作前後で抵抗状態� ��不変で、安定動作を可能ならしめる、とい� ��性質を有することについて説明する。 
 複数の層からなる記録層12を用いる場合、� �好な動作特性を確保する観点から、セット� �作及びリセット動作においては、1つの層の� ��が抵抗変化し(スイッチングを担い)、他の� �は抵抗変化しない(スイッチングを担わない) ことが望ましい。あるいは、複数の層が抵抗 変化する場合、すなわち、複数の層がスイッ チングに寄与する場合は、これら複数の層は 同時に同方向に抵抗変化することが望ましい 。

 仮に、複数の層が抵抗変化し得る場合に、� ��場を印加した際に一部の層のみが抵抗変化� ��他の層が抵抗変化しないとすると、セット� ��の動作が完了しないことがあり得る。 
 あるいは、例えば、あるセルに電場を印加� ��て低抵抗状態にした後に、当該セルに隣接� ��るセルに逆方向の電場を印加して消去動作� ��行う場合に、当該セルに低電圧の逆方向電� ��が印加される可能性があるところ、かかる� ��合において、一部の層のみが抵抗変化する� ��能性がある。これにより、意図されない動� ��モード、すなわち誤った書込みや書換えな� ��(これを「ディスターブ」という)が生じ得� �。

 この課題は、以下に示すように、絶縁層12C� ��抵抗状態を動作前後で変化しないように構� ��し、絶縁層12Cはスイッチングに寄与しない� ��うにすることによって解消される。 
 本具体例において、第3化合物12Cは、特定族 元素から構成される。ここで、特定族元素、 すなわち周期表の1族~4族の元素及び12族~17族� ��元素は、固体電解質において、イオンの出� ��り時に比較的価数が変化しにくいという性� ��を有する。このため、第3化合物12Cを構成す る元素は、価数が変化しにくい。また、第3� �合物12Cに外部から進入し得る拡散イオン元� �(Aイオン元素)は、特定族元素であるととも� �、前述したように第3化合物12Cの構成元素で� ��るDcイオン元素と同じ価数を有しかつDcイオ ン元素と同等のイオン半径を有する。

 このため、各種動作時において、すなわ� ��、拡散イオン元素が移動する時において、� ��3化合物12Cの構造(結晶状態等)は変化せず、� ��れにより、第3化合物12Cは、常に一定の抵抗 状態を保つことが可能になる。

 このように構成することにより、絶縁層1 2Cはスイッチングに寄与しないこととなり、� ��イッチングは専ら第1化合物層12Aによっての み行われることとなる。この結果、第1化合� �12Aと第3化合物12Cのいずれか一方のみが抵抗� ��化を生じるということ(意図せざる抵抗変化 )はなくなり、書込み不完了やディスターブ� �どが発生する可能性が低減し、もって安定� �作が可能となる。

 次に、絶縁層12Cは、(3)抵抗率が高く、効� ��的な加熱に資するとともにオン電流(低抵抗 状態における電流)を低減化する、という性� �を有することについて説明する。

 前述したように、絶縁層12Cは、消費電力� ��低減化のために設けられるものである。具� ��的には、(イ)リセット動作時において、絶� �層12Cの機能により記録層12を効率的にジュー ル加熱するとともに、(ロ)記録層12のオン抵� �値(低抵抗状態における抵抗値)を増大せしめ オン電流(低抵抗状態における電流)を低減化� ��、もって消費電力の低減化を図らんとする� ��のである。

 まず、(イ)リセット動作時において、絶縁� �12Cの機能により記録層12を効率的にジュール 加熱することについて説明する。 
 最初に、スイッチングを担う構成要素につ� ��て論じる。記録層12を高抵抗状態から低抵� �状態に変化させるためには、記録層12内にお いて電極層11と電極層13とを繋ぐ電荷の移動� �路(パス)が形成される必要がある。一方、記 録層12を低抵抗状態から高抵抗状態に変化さ� ��るためには、この電荷移動通路を遮断すれ� ��よい。例えば、記録層12において、一部の� �面の抵抗状態だけを高抵抗状態に変化させ� �ばよい。記録層12が複数の層から構成されて いる場合では、一部の層のみを高抵抗状態に 変化させればよい。ここで、「主面」とは、 電極層11、記録層12、電極層13等の積層方向(� �2において上下方向)に対して垂直な面をいう 。

 すなわち、スイッチング、特にリセット( 消去)動作を行うに際しては、必ずしも記録� �12全体の抵抗状態を変化させる必要はなく、 消費電力低減化を考慮すれば、例えば記録層 12の一部の主面のみの抵抗状態を変化させる� ��が望ましい。

 本具体例に当てはめれば、次の通りである� �� 
 まず、図2(a)の初期状態では、第1化合物層12 Aの全体が高抵抗状態である。セット動作時� �は、記録層12に電場が印加され、拡散イオン 元素が移動することにより、具体的1と同様� �機構で、図2(b)に表すように第1化合物層12Aは 低抵抗状態になる。その後リセット動作を行 う際には、上記考察から、記録層12の一部の� ��面のみを高抵抗状態にするのが望ましい。� ��た、膜厚の小さいメタル層14を重点的に加� �して、拡散イオン元素を効率的に電極層11側 に移動させるのが好ましい。

 この課題は、抵抗率の高い絶縁層12Cを第1化 合物層12Aと電極層13との間に導入することに� ��って解消される。 
 図3は、具体例2における情報の記録/再生の� ��本原理を説明するための概念図である。図3 (a)及び図3(b)は、記録部の断面図である。 
 図3(a)に表すセット状態の記録部をジュール 加熱し、図3(b)に表すリセット状態に変換さ� �る場合について説明する。

 ジュール加熱の際、絶縁層12Cの抵抗率が� ��いことから、絶縁層12C及びその近傍が重点� ��に加熱される。このため、絶縁層12Cに接す� ��メタル層14は比較的容易に加熱され、拡散� �オン元素(Aイオン元素またはDcイオン元素)は 電極層11側に移動しやすくなる。また、絶縁� ��12Cは加熱されているため、拡散イオン元素� ��絶縁層12C内を通過することが可能となる。� ��らに、第1化合物層12Aにおいて、その一部の 領域、すなわち絶縁層12Cとの界面付近の領域 が加熱されることにより、拡散イオン元素は この領域に移動することが可能となる。これ らにより、記録層12は、一部の主面、すなわ� ��、第1化合物層12Aの絶縁層12Cとの界面付近の 領域、のみが高抵抗状態である構造となる。

 この結果、記録層12は効率的に高抵抗状態� �され、図3(b)に表すように、リセット動作は� ��了する。 
 絶縁層12C(第3化合物12C)の抵抗率は、低抵抗� ��態(オン状態)の第1化合物12Aの抵抗率より高� ��。例えば、10 ³ ωcm以上とすることができる。

 ここで、絶縁層12Cの抵抗率は高いものの、� ��縁層12Cの膜厚を適宜調節することにより、� ��縁層12Cの抵抗値を任意の値にすることがで� ��る。この場合、絶縁層12Cの電気抵抗は、殆� ��トンネル抵抗が担うと考えられる。これに� ��り、記録層12を低抵抗状態(オン状態)にする ことが可能になるとともに、オン状態におい て適切な抵抗値が確保され、もって効率的な 加熱が可能となる。 
 絶縁層12Cの好ましい膜厚としては、例えば� ��10nm以下が挙げられる。

 次に、再度セット動作を行う場合について� ��明する。 
 図4は、具体例2における情報の記録/再生の� ��本原理を説明するための概念図である。図4 (a)及び図4(b)は、記録部の断面図である。 
 図4(a)に表すリセット状態の記録部に電場を 印加し、図4(b)に表すセット状態に変換させ� �場合について説明する。

 図4(a)に表すように電極層13側が陰極となる� ��うに電場が印加されると、絶縁層12Cに存在� ��る拡散イオン元素(Aイオン元素またはDcイオ ン元素)は、電極層13側に移動し、メタル層14� ��析出する。また、第1化合物層12Aの絶縁層12C との界面付近に存在する拡散イオン元素も、 電極層13側に移動する。これにより、第1化合 物層12Aの全領域が低抵抗状態となる。 
 この結果、記録層12は低抵抗状態となり、� �4(b)に表すように、セット動作は完了する。

 以上のように、抵抗率の高い絶縁層12Cを� ��1化合物12Aと電極層13との間に導入すること� ��より、リセット動作時において記録層12が� �率的にジュール加熱され、これにより消費� �力の低減化が図られる。

 スイッチングに寄与する構成要素につい� ��は、1回目の動作(セット動作)においては全� ��の拡散イオン元素がスイッチングに寄与す� ��のに対し、2回目以降の動作(リセット動作� �びセット動作)においては絶縁層12C及びその� ��傍の拡散イオン元素のみがスイッチングに� ��与することとなる。本具体例に係る情報記� ��再生装置は、必要最小限の構成要素のみを� ��率的に移動させることによってスイッチン� ��を行い、消費電力の低減化を図っている。

 次に、(ロ)記録層12のオン抵抗値(低抵抗状� �における抵抗値)を増大せしめオン電流(低抵 抗状態における電流)を低減化することにつ� �て説明する。 
 記録層12に適切な抵抗値を有する絶縁層12C� �導入することにより、記録層12におけるオン 状態(低抵抗状態)の抵抗値は増大する。この� ��め、オン状態において、記録層12を流れる� �流は増大する。これにより、消費電力の低� �化が図られる。

 従来、オン状態の抵抗値(オン抵抗値)を� �望の値に制御するためには、スイッチング� �流を制御する方法やパルス幅を制御する方� �があったが、これらの方法ではオン抵抗値� �上げるのに限界があった。本具体例によれ� �、オン状態(選択状態)とオフ状態(非選択状� �)とを通じて不変の抵抗率を有する絶縁層12C( 第3化合物12C)を導入することにより、より容� ��にオン抵抗値を所望の値に設定することが� ��き、上記(イ)及び(ロ)の効果を発現させるこ とが可能となる。

 以上から、本具体例によれば、適切な膜� ��を有する高抵抗率の絶縁層12Cを導入するこ� ��により、スイッチングが阻害されることな� ��、オン抵抗値を適切な値に設定し、リセッ� ��動作時において記録層12が効率的にジュー� �加熱されることが可能となり、もって消費� �力の低減化が図られる。また、記録層12のオ ン状態の抵抗が増大し、オン電流が低減する 。これらにより、セル当たり極めて小さな消 費電力で各種動作を行うことが可能となる。

 次に、記録層12のさらに別の具体例(具体例3 )について、図5及び図6を参照しつつ説明する 。 
 図5は、具体例3における情報の記録/再生の� ��本原理を説明するための概念図である。  
 この記録部も、記録層12の両側を電極層11、 13により挟んだ構造を有する。

 記録層12は、電極層11側に配置され、A _x M1 _y X1 _z で表記される第1化合物12Aと、電極層13側に配 置され、少なくとも1種類の遷移元素を有し� �第1化合物12AのAイオン元素を収容できる空隙 サイトを有する第2化合物12Bと、を有する。

 図5に表した記録部において、第1化合物層12 A内の小さな白丸はAイオン(例えば、拡散イオ ン)を、小さな太線の白丸はM1イオン(例えば� �母体イオン)を、大きな白丸はX1イオン(例え� ��、陰イオン)を表す。また、図5に表した記� �部において、第2化合物層12B内の小さな黒丸� ��M2イオン(例えば、母体イオン)を、大きな白 丸はX2イオン(例えば、陰イオン)を表す。 
 第2化合物12Bは、Aイオンが収容される空隙� �イトを□で表すとすると、例えば以下のよ� �な化学式で表されるものが挙げられる。空� �サイトの一部は、第2化合物12Bの成膜を容易� ��するために、予め他のイオンによって占有� ��れていてもよい。

 ・ □ _x M2X2 ₂  
 M2は、Ti,Ge,Sn,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Nb,Ta,Mo,W,Re,Ru,Rh の グループから選択される少なくとも1種類の� �素である。 
 X2は、O,S,Se,N,Cl,Br,I のグループから選択さ� �る少なくとも1種類の元素である。モル比xは 、0.3≦x≦1を満たすものとする。

 ・ □ _x M2X2 ₃  
 M2は、Ti,Ge,Sn,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Nb,Ta,Mo,W,Re,Ru,Rh の グループから選択される少なくとも1種類の� �素である。 
 X2は、O,S,Se,N,Cl,Br,I のグループから選択さ� �る少なくとも1種類の元素である。モル比xは 、1≦x≦2を満たすものとする。

 ・ □ _x M2X2 ₄  
 M2は、Ti,Ge,Sn,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Nb,Ta,Mo,W,Re,Ru,Rh の グループから選択される少なくとも1種類の� �素である。 
 X2は、O,S,Se,N,Cl,Br,I のグループから選択さ� �る少なくとも1種類の元素である。モル比xは 、1≦x≦2を満たすものとする。

 ・ □ _x M2PO _z  
 M2は、Ti,Ge,Sn,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Nb,Ta,Mo,W,Re,Ru,Rh の グループから選択される少なくとも1種類の� �素である。 
 Pはリン元素であり、Oは酸素元素である。� �ル比xは、0.3≦x≦3、4≦z≦6を満たすものと� �る。

 ・ □ _x M2O ₅  
 M2は、V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Nb,Ta,Mo,W,Re,Ru,Rh のグルー プから選択される少なくとも1種類の元素で� �る。 
 Oは酸素元素である。モル比xは、0.3≦x≦2を 満たすものとする。

 第2化合物は、ホランダイト構造、ラムスデ ライト構造、アナターゼ構造、ブルッカイト 構造、パイロルース構造、ReO ₃ 構造、MoO _1.5 PO ₄ 構造、TiO _0.5 PO ₄ 構造、FePO ₄ 構造、βMnO ₂ 構造、γMnO ₂ 構造、λMnO ₂ 構造、スピネル構造、イルメナイト構造より なる群から選択された少なくともいずれかを 含む構造を有していることが好ましい。特に 、第1化合物と同一構造のイルメナイト構造� �有していることが最も望ましい。

 また、第1化合物層12Aの電子のフェルミ準 位は、第2化合物層12Bの電子のフェルミ準位� �りも低くする。これは、記録層12の状態に可 逆性を持たせるために望ましい条件のひとつ である。ここで、フェルミ準位については、 いずれも真空準位から測定した値とする。

 このように、第1化合物層12AのAイオンを� �容する空隙サイトを有する第2化合物からな� ��第2化合物層12Bを、第1化合物層12Aに接して� �けると、拡散したAイオン元素が安定に存在� ��やすくなる。このような材料の組み合わせ� ��記録層に使用し、第1化合物層12Aと第2化合� �層12Bと間のイオンの授受を容易にすること� �より、抵抗変化に必要な消費電力を小さく� �、熱安定性を高めることができる。また、� �のような材料の組み合わせを記録層に使用� �ることで、原理的には、Pbpsi(peta bit per squa re inch)級の記録密度を実現することができ、 さらに、低消費電力化も達成できる。

 なお、図6に例示したように、記録層12を構� ��する第1化合物層12A及び第2化合物層12Bは、� �れぞれ、2層以上の複数層を交互に積層して� ��よい。 
 このような記録部において、第1化合物層12A が陽極側、第2化合物層12Bが陰極側になるよ� �に電極層11、13に電位を与え、記録層12内に� �位勾配を発生させると、第1化合物を含む第1 化合物層12A内のAイオン元素の一部が結晶中� �移動し、陰極側の第2化合物層12B内に進入す� ��。

 第2化合物層12Bの結晶中には、Aイオンの空� �サイトがあるため、第1化合物を含む第1化合 物層12Aから移動してきたAイオンは、この空� �サイトに収まる。 
 したがって、第2化合物層12B内では、Aイオ� �あるいはM2イオンの一部の価数が減少し、第 1化合物層12A内では、AイオンあるいはM1イオ� �の価数が増加する。したがって、Aイオン、� ��るいはM1イオンの少なくとも一方は、その� �数が容易に変化できるように、電子が不完� �に満たされたd軌道を有する遷移元素である� ��要がある。

 つまり、初期状態(リセット状態)におい� �、第1化合物層12A及び第2化合物層12Bが高抵抗 状態(絶縁体)であると仮定すれば、第1化合物 層12A内のAイオンの一部が第2化合物層12B内に� ��動することにより、第1化合物層12A及び第2� �合物層12Bの結晶中に電導キャリアが発生し� �両者は、共に、電気伝導性を有するように� �る。

 このように、電流/電圧パルスを記録層12に� ��えることにより、記録層12の電気抵抗値が� �さくなるため、セット動作(記録)が実現され る。 
 この時、同時に、第1化合物層12Aから第2化� �物層12Bに向かって電子も移動するが、第2化� ��物層12Bの電子のフェルミ準位は、第1化合物 層12Aの電子のフェルミ準位よりも高いため、 記録層12のトータルエネルギーとしては、上� ��する。 
 また、セット動作が完了した後も、このよ� ��な高いエネルギー状態が継続されるため、� ��録層12は、自然に、セット状態(低抵抗状態) からリセット状態(高抵抗状態)に戻ってしま� ��可能性がある。

 しかし、本実施形態の例に係る記録層12を� �いれば、このような懸念は回避される。す� �わち、セット状態を維持し続けることがで� �る。 
 これは、いわゆるイオンの移動抵抗が働い� ��いるためである。前述のように、Aイオンの 配位数を小さく(理想的には2以下に)する、あ るいはその価数を2価にすることが、情報記� �再生装置としては好ましい。

 ところで、セット動作が完了した後には、� ��極側に酸化剤が生成されるため、この場合� ��も、電極層11としては、酸化され難く、イ� �ン伝導性を有しない材料(例えば、電気伝導� ��酸化物)を用いることが望ましい。その好適 な例は前述の通りである。 
 リセット動作(消去)は、記録層12を加熱して 、上述の第2化合物層12Bの空隙サイト内に収� �されたAイオンが第1化合物層12A内に戻る、と いう現象を促進してやればよい。

 具体的には、記録層12に大電流パルスを� �えることにより発生するジュール熱とその� �留熱とを利用すれば、容易に、記録層12を元 の高抵抗状態(絶縁体)に戻すことができる。� ��録層12は低抵抗であるため、低電位差であ� �ても大電流が流れることになる。

 このように、大電流パルスを記録層12に� �えることにより、記録層12の電気抵抗値が大 きくなるため、リセット動作(消去)が実現さ� ��る。あるいは、セット時とは逆向きの電場� ��印加することによってもリセット動作は可� ��である。

 ここで、低消費電力を実現するには、結晶� ��壊を引き起こすことなく、結晶内をAイオン が移動できるように、Aイオンのイオン半径� �最適化し、移動パスが存在する構造を用い� �ことが重要になる。 
 第2化合物12Bとして、上述したような材料及 び結晶構造を用いた場合においては、このよ うな条件を満たすことが可能となり、低消費 電力を実現するのに有効となる。

 また、図1に表した記録部のような構造を有 する、A _x M _y X ₄ (0.1≦x≦2.2、1.5≦y≦2)で表されるスピネル構� ��、A _x M _y X ₂ (0.1≦x≦1.1、0.9≦y≦1.1)で表されるデラフォ� �イト構造、A _x M _y X ₄ (0.5≦x≦1.1、0.7≦y≦1.1)で表されるウルフラ� �イト構造、またはA _x M _y X ₃ (0.5≦x≦1.1、0.9≦y≦1)で表されるイルメナイ� ��構造、のいずれかの化合物内では、Aイオン の移動が容易に生じるので、これら構造を有 する化合物は、第1化合物として用いるのに� �適である。

 特に、その移動パスが電極間を結ぶ方向� ��配置するように、第1化合物12Aが配向してい る場合には、第1化合物12A内でのAイオンの移� ��が容易となるので、好ましい。さらに、第1 化合物12Aの格子定数と第2化合物12Bの格子定� �が一致する場合においては、空隙サイトが� �り、成膜しにくい材料を用いた場合におい� �も、容易に配向を制御して成膜することが� �能となるので好ましい。

 次に、第2化合物層12Bの膜厚の好適な範囲に ついて説明する。 
 空隙サイトによるAイオン収納の効果を得る ためには、第2化合物12Bの膜厚は、1nm以上の� �厚であることが好ましい。 
 一方、第2化合物12Bの空隙サイト数が第1化� �物12A内のAイオン数よりも大きくなると、第2 化合物12Bの抵抗変化効果が小さくなるため、 第2化合物12B内の空隙サイト数は、同じ断面� �内にある第1化合物12A内のAイオン数と同じか 、それより少ないことが好ましい。

 第1化合物12A内のAイオンの密度と第2化合物1 2B内の空隙サイトの密度は、概ね同じである� ��め、第2化合物12Bの膜厚は、第1化合物12Aの� �厚と同程度か、それより小さいことが好ま� �い。 
 陰極側には、一般に、リセット動作をさら� ��促進するためのヒータ層(抵抗率約10 ^-5 ωcm以上の材料)を設けてもよい。

 プローブメモリでは、陰極側に還元性の材� ��が析出するため、大気との反応を防ぐため� ��、表面保護層を設けることが好ましい。 
 ヒータ層と表面保護層を、両方の機能を持� ��1つの材料で構成することも可能である。例 えば、アモルファスカーボン、ダイヤモンド ライクカーボン、SnO ₂ などの半導体は、ヒータ機能と表面保護機能 とを併せ持っている。

 再生に関しては、電流パルスを記録層12に� �し、記録層12の抵抗値を検出することにより 容易に行える。 
 ただし、電流パルスは、記録層12を構成す� �材料が抵抗変化を起こさない程度の微小な� �であることが必要である。

 次に、記録層12のさらに別の具体例(具体例4 )について、図7~図10を参照しつつ説明する。� �
 図7は、具体例4における情報の記録/再生の� ��本原理を説明するための概念図である。 
 図7(a)及び図7(b)は、記録部の断面図である� �この記録部は、記録層12の両側を電極層11及� ��電極層13により挟んだ構造を有する。記録� �12は、第1化合物を含む第1化合物層12Aと、第2 化合物を含む第2化合物12Bと、第1化合物層12A� ��第2化合物層12Bとの間に設けられた絶縁層12C と、を有する。

 図7に表した記録部において、第1化合物� �12A内の小さな白丸はAイオン(例えば、拡散イ オン)を、小さな太線の白丸はM1イオン(例え� �、母体イオン)を、大きな白丸はX1イオン(例� ��ば、陰イオン)を表す。また、第2化合物層12 B内の小さな黒丸はM2イオン(例えば、母体イ� �ン)を、大きな白丸はX2イオン(例えば、陰イ� ��ン)を表す。また、絶縁層12C内の小さな白丸 はAイオン(例えば拡散イオン)を、小さな斜線 の丸はM3イオン(例えば、母体イオン)を、大� �な白丸はX3イオン(例えば、陰イオン)を表す� ��

 第1化合物層12A及び絶縁層12Cは、具体例2� �関して前述したものと同様である。すなわ� �、それぞれ、特定族元素からなる拡散イオ� �元素であるAイオン元素及びDcイオン元素を� �む。Dcイオン元素は、Aイオン元素と同じ価� �を有しかつAイオン元素のイオン半径と同じ� ��またはこれに近い(例えば、±20%程度の範囲� ��)イオン半径を有する元素(例えば、Aイオン� ��素と同じ元素)である。また、第2化合物層12 Bは、具体例3に関して前述したものと同様で� ��る。

 また、スイッチング時において、拡散イ� ��ン元素が移動する第1化合物12A内の通路、第 3化合物12C内の通路、及び第2化合物12B内の通� ��は、連続的に繋がっていることが好ましい� ��さらに、これら第1化合物12A、第3化合物12C� �及び第2化合物12Bの骨格構造(結晶構造及び結 晶方位)が同等であることが最も好ましい。

 以上のような材料を記録層12に使用するこ� �で、記録密度に関しては、原理的にはPbpsi(Pe ta bit per square inch)級を実現でき、さらなる 低消費電力化が達成できる。 
 なお、図10に例示したように、記録層12を構 成する第1化合物層12A、第2化合物層12B、及び� ��縁層12Cは、それぞれ、複数層を交互に積層� ��てもよい。

 次に、絶縁層12Cの性質及び機能について説� ��する。 
 絶縁層12C(第3化合物12C)は、具体例2と同様に 消費電力の低減化のために設けられるもので ある。絶縁層12Cは、(1)Aイオン元素を通過さ� �、動作を可能ならしめる、(2)動作前後で抵� �状態は不変で、安定動作を可能ならしめる� �及び(3)抵抗率が高く、効率的な加熱に資す� �とともにオン電流(低抵抗状態における電流) を低減化する、という性質及び機能を有する 。以下、絶縁層12Cが有するこれらの性質につ いて説明する。

 まず、絶縁層12Cは、(1)Aイオン元素を通過さ せ、動作を可能ならしめる、という性質を有 することについて説明する。 
 本具体例の情報記録再生装置も、具体例1~3� ��情報記録再生装置と同様に、記録層12にお� �て拡散イオン元素が移動し、記録層12の抵抗 状態(高抵抗状態及び低抵抗状態)を変化させ� ��これにより各種動作(スイッチング)を行っ� �いる。具体的には、例えばセット動作時で� �、Aイオン元素が電極層13側に移動して第2化� ��物層12Bに格納され、第1化合物12A及び第2化� �物12Bの構成元素の一部の価数が変化して第1� ��合物層12A及び第2化合物層12Bの抵抗状態が変 化することにより、セット動作が行われてい る。このため、第1化合物層12Aと第2化合物層1 2Bとの間にある絶縁層12Cは、Aイオン元素を通 過させる性質を有することが求められる。

 この課題は、第3化合物12Cを構成する特定 族元素の少なくとも1種を適宜選択すること� �よって解消される。ここで、前述したよう� �、絶縁層12Cは、Dcイオン元素を含む。このDc� ��オン元素は、具体例2に関して前述したよう に、電場印加により拡散することができ、A� �オン元素と互いに置換することができる。� �た、絶縁層12Cの、第1化合物層12Aと反対側(電 極層13側)の界面には、空隙サイトを有する第 2化合物層12Bが接している。これらにより、A� ��オン元素は動作時に絶縁層12Cを通過するこ� ��が可能となる。

 すなわち、図7に表したように、セット動 作時においては、絶縁層12C内のDcイオン元素� ��電極層13側に移動して第2化合物層12B内の空� ��サイトに格納され、その結果生じた絶縁層1 2C内の空間を第1化合物層12Aから移動してきた Aイオン元素が順次通り抜ける。セット動作� �了時には、絶縁層12Cの第3化合物12Cは、Dcイ� �ン元素の全部または一部がAイオン元素によ� ��て置換された構造となる。

 逆にリセット動作時においては、図7に表 したように、絶縁層12C内の拡散イオン元素(A� ��オン元素またはDcイオン元素)が電極層11側� �移動し、その結果生じた絶縁層12C内の空間� �第2化合物層12Bから移動してきた拡散イオン� ��素が順次通り抜ける。リセット動作完了時� ��は、絶縁層12Cの第3化合物12Cは、既存拡散イ オン元素の全部または一部が第2化合物層12B� �ら移動してきた拡散イオン元素によって置� �された構造となる。

 次に、絶縁層12Cは、(2)動作前後で抵抗状態� ��不変で、安定動作を可能ならしめる、とい� ��性質を有することについて説明する。 
 具体例2に関して前述したように、複数の層 からなる記録層12を用いる場合、良好な動作� ��性を確保する観点から、セット動作及びリ� ��ット動作においては、1つの層のみが抵抗変 化し(スイッチングを担い)、他の層は抵抗変� ��しない(スイッチングを担わない)ことが望� �しい。あるいは、複数の層が抵抗変化する� �合、すなわち、複数の層がスイッチングに� �与する場合は、これら複数の層は同時に同� �向に抵抗変化することが望ましい。

 この課題は、以下に示すように、絶縁層12C� ��抵抗状態を動作前後で変化しないように構� ��し、絶縁層12Cはスイッチングに寄与しない� ��うにすることによって解消される。 
 本具体例において、第3化合物12Cは、固体電 解質においてイオンの出入り時に比較的価数 が変化しにくい特定族元素から構成される。 また、第3化合物12Cに外部から進入し得る拡� �イオン元素(Aイオン元素)は、特定族元素で� �るとともに、第3化合物12Cの構成元素であるD cイオン元素と同じ価数を有しかつDcイオン元 素と同等のイオン半径を有する。

 このため、各種動作時において、すなわち� ��拡散イオン元素が移動する時において、第3 化合物12Cの構造(結晶状態等)は変化せず、こ� ��により、第3化合物12Cは、常に一定の抵抗状 態を保つことが可能になる。 
 このように構成することにより、絶縁層12C� ��スイッチングに寄与しないこととなり、ス� ��ッチングは専ら第1化合物層12A及び第2化合� �層12Bによってのみ行われることとなる。こ� �結果、意図せざる抵抗変化は生じにくくな� �、書込み不完了やディスターブなどが発生� �る可能性が低減し、もって安定動作が可能� �なる。

 次に、絶縁層12Cは、(3)抵抗率が高く、効� ��的な加熱に資するとともにオン電流(低抵抗 状態における電流)を低減化する、という性� �を有することについて説明する。

 前述したように、絶縁層12Cは、消費電力� ��低減化のために設けられるものである。具� ��的には、(イ)リセット動作時において、絶� �層12Cの機能により記録層12を効率的にジュー ル加熱するとともに、(ロ)記録層12のオン抵� �値(低抵抗状態における抵抗値)を増大せしめ オン電流(低抵抗状態における電流)を低減化� ��、もって消費電力の低減化を図らんとする� ��のである。

 まず、(イ)リセット動作時において、絶縁� �12Cの機能により記録層12を効率的にジュール 加熱することについて説明する。 
 具体例2に関して前述したように、スイッチ ングを担う構成要素については、スイッチン グ、特にリセット(消去)動作を行うに際して� ��、必ずしも記録層12全体の抵抗状態を変化� �せる必要はなく、消費電力低減化を考慮す� �ば、例えば記録層12の一部の主面のみの抵抗 状態を変化させるのが望ましい。

 本具体例に当てはめれば、次の通りである� �� 
 図7(a)の初期状態では、第1化合物層12A及び� �2化合物層12Bの全体が高抵抗状態である。セ� ��ト動作時には、記録層12に電場が印加され� �拡散イオン元素が移動することにより、具� �例3と同様の機構で、図7(b)に表すように第1� �合物層12A及び第2化合物12Bはともに低抵抗状� ��になる。その後リセット動作を行う際には� ��上記考察から、記録層12の一部の主面のみ� �高抵抗状態にするのが望ましい。

 この課題は、抵抗率の高い絶縁層12Cを第1化 合物層12Aと第2化合物層12Bとの間に導入する� �とによって解消される。 
 図8は、具体例4における情報の記録/再生の� ��本原理を説明するための概念図である。図8 (a)及び図8(b)は、記録部の断面図である。 
 図8(a)に表すセット状態の記録部をジュール 加熱し、図8(b)に表すリセット状態に変換さ� �る場合について説明する。

 ジュール加熱の際、絶縁層12Cの抵抗率が� ��いことから、絶縁層12C及びその近傍が重点� ��に加熱される。すなわち、絶縁層12C、並び� ��、第1化合物層12A及び第2化合物層12Bのうち� �縁層12Cに接する領域(近傍領域)が重点的に加 熱される。これにより、絶縁層12C内の拡散イ オン元素(Aイオン元素またはDcイオン元素)は� ��電極層11側にある第1化合物層12Aの絶縁層12C� ��傍領域に移動することができる。また、そ� ��結果生じた絶縁層12C内の空間を、第2化合物 層12Bの絶縁層12C近傍領域にある拡散イオン元 素が順次通り抜けることができる。これによ り、記録層12は、一部の主面、すなわち、第1 化合物層12A及び第2化合物層12Bの絶縁層12C近� �領域、のみが高抵抗状態である構造となる� �

 この結果、記録層12は効率的に高抵抗状態� �され、図8(b)に表すように、リセット動作は� ��了する。 
 絶縁層12C(第3化合物12C)の抵抗率は、低抵抗� ��態(オン状態)の第1化合物層12A及び第2化合物 層12Bの抵抗率より高い。例えば、10 ³ ωcm以上とすることができる。

 ここで、絶縁層12Cの抵抗率は高いものの、� ��縁層12Cの膜厚を制御することにより、絶縁� ��12Cの抵抗値を任意の値にすることができる� ��この場合、絶縁層12Cの電気抵抗は、殆どト� ��ネル抵抗が担うと考えられる。これにより� ��記録層12を低抵抗状態(オン状態)にすること が可能になるとともに、オン状態において適 切な抵抗値が確保され、もって効率的な加熱 が可能となる。 
 絶縁層12Cの好ましい膜厚については、具体� ��2に関して前述した通りである。

 次に、再度セット動作を行う場合について� ��明する。 
 図9は、具体例4における情報の記録/再生の� ��本原理を説明するための概念図である。図9 (a)及び図9(b)は、記録部の断面図である。 
 図9(a)に表すリセット状態の記録部に電場を 印加し、図9(b)に表すセット状態に変換させ� �場合について説明する。

 図9(a)に表すように電極層13側が陰極とな� ��ように電場が印加されると、絶縁層12Cに存� ��する拡散イオン元素(Aイオン元素またはDcイ オン元素)は、電極層13側にある第2化合物層12 Bの絶縁層12C近傍領域に移動する。また、そ� �結果生じた絶縁層12C内の空間を、第1化合物� ��12Aの絶縁層12C近傍領域にある拡散イオン元� ��が順次通り抜け、電極層13側に移動する。� �れにより、第1化合物層12A及び第2化合物層12B の全領域が低抵抗状態となる。

 この結果、記録層12は低抵抗状態となり、� �9(b)に表すように、セット動作は完了する。� �
 以上のように、抵抗率の高い絶縁層12Cを第1 化合物層12Aと第2化合物層12Bとの間に導入す� �ことにより、リセット動作時において記録� �12が効率的にジュール加熱され、これにより 消費電力の低減化が図られる。

 スイッチングに寄与する構成要素につい� ��は、1回目の動作(セット動作)においては全� ��の拡散イオン元素がスイッチングに寄与す� ��のに対し、2回目以降の動作(リセット動作� �びセット動作)においては絶縁層12C及びその� ��傍の拡散イオン元素のみがスイッチングに� ��与することとなる。本具体例に係る情報記� ��再生装置は、必要最小限の構成要素のみを� ��率的に移動させることによってスイッチン� ��を行い、消費電力の低減化を図っている。

 次に、(ロ)記録層12のオン抵抗値(低抵抗状� �における抵抗値)を増大せしめオン電流(低抵 抗状態における電流)を低減化することにつ� �て説明する。 
 記録層12に適切な抵抗値を有する絶縁層12C� �導入することにより、記録層12におけるオン 状態(低抵抗状態)の抵抗値は増大する。この� ��め、オン状態において、記録層12を流れる� �流は低減する。これにより、消費電力の低� �化が図られる。

 従来、オン状態の抵抗値(オン抵抗値)を� �望の値に制御するためには、スイッチング� �流を制御する方法やパルス幅を制御する方� �があったが、これらの方法ではオン抵抗値� �上げるのに限界があった。本具体例によれ� �、オン状態(選択状態)とオフ状態(非選択状� �)とを通じて不変の抵抗率を有する絶縁層12C( 第3化合物12C)を導入することにより、より容� ��にオン抵抗値を所望の値に設定することが� ��き、上記(イ)及び(ロ)の効果を発現させるこ とが可能となる。

 以上から、本具体例によれば、適切な膜� ��を有する高抵抗率の絶縁層12Cを導入するこ� ��により、スイッチングが阻害されることな� ��、オン抵抗値を適切な値に設定し、リセッ� ��動作時において記録層12が効率的にジュー� �加熱されることが可能となり、もって消費� �力の低減化が図られる。また、記録層12のオ ン状態の抵抗が増大し、オン電流が低減する 。これらにより、セル当たり極めて小さな消 費電力で各種動作を行うことが可能となる。

 以下、本実施形態に係る情報記録再生装置� ��応用例について説明する。 
 本実施形態に係る記録部を、プローブメモ� ��に適用した場合、半導体メモリに適用した� ��合、及びフラッシュメモリに適用した場合� ��3つについて説明する。

 (プローブメモリ)
 図11及び図12は、本実施形態に係るプローブ メモリを表す模式図である。 
 XYスキャナー16上には、本実施形態の記録部 が設けられた記録媒体が配置される。この記 録媒体に対向する形で、プローブアレイが配 置される。

 プローブアレイは、基板23と、基板23の一面 側にアレイ状に配置される複数のプローブ(� �ッド)24と、を有する。複数のプローブ24の各 々は、例えば、カンチレバーから構成され、 マルチプレクスドライバ25,26により駆動され� ��。 
 複数のプローブ24は、それぞれ、基板23内の マイクロアクチュエータを用いて個別に動作 可能であるが、ここでは、全てをまとめて同 じ動作をさせて記録媒体のデータエリアに対 するアクセスを行う例を説明する。

 まず、マルチプレクスドライバ25,26を用い� �、全てのプローブ24をX方向に一定周期で往� �動作させ、記録媒体のサーボエリアからY方� ��の位置情報を読み出す。Y方向の位置情報は 、ドライバ15に転送される。 
 ドライバ15は、この位置情報に基づいてXYス キャナー16を駆動し、記録媒体をY方向に移動 させ、記録媒体とプローブとの位置決めを行 う。 
 両者の位置決めが完了したら、データエリ� ��上のプローブ24の全てに対して、同時、か� �、連続的に、データの読み出し又は書き込� �を行う。 
 データの読み出し及び書き込みは、プロー� ��24がX方向に往復動作していることから連続� ��に行われる。また、データの読み出し及び� ��き込みは、記録媒体のY方向の位置を順次変 えることにより、データエリアに対して、一 行ずつ、実施される。 
 なお、記録媒体をX方向に一定周期で往復運 動させて記録媒体から位置情報を読み出し、 プローブ24をY方向に移動させるようにしても よい。

 記録媒体は、例えば、基板20と、基板20上の 電極層21と、電極層21上の記録層22とから構成 される。 
 記録層22は、複数のデータエリア、並びに� �複数のデータエリアのX方向の両端にそれぞ� ��配置されるサーボエリアを有する。複数の� ��ータエリアは、記録層22の主要部を占める� �

 サーボエリア内には、サーボバースト信� ��が記録される。サーボバースト信号は、デ� ��タエリア内のY方向の位置情報を示している 。

 記録層22内には、これらの情報の他に、さ� �に、アドレスデータが記録されるアドレス� �リア及び同期をとるためのプリアンブルエ� �アが配置される。 
 データ及びサーボバースト信号は、記録ビ� ��ト(電気抵抗変動)として記録層22に記録され る。記録ビットの“1”,“0”情報は、記録層 22の電気抵抗を検出することにより読み出す� ��

 本例では、1つのデータエリアに対応して1� �のプローブ(ヘッド)が設けられ、1つのサー� �エリアに対して1つのプローブが設けられる� �� 
 データエリアは、複数のトラックから構成� ��れる。アドレスエリアから読み出されるア� ��レス信号によりデータエリアのトラックが� ��定される。また、サーボエリアから読み出� ��れるサーボバースト信号は、プローブ24を� �ラックの中心に移動させ、記録ビットの読� �取り誤差をなくすためのものである。 
 ここで、X方向をダウントラック方向、Y方� �をトラック方向に対応させることにより、HD Dのヘッド位置制御技術を利用することが可� �になる。

 次に、このプローブメモリの記録/再生動作 について説明する。 
 図13は、記録(セット動作)時の状態を説明す るための概念図である。 
 記録媒体は、基板(例えば、半導体チップ)20 上の電極層21と、電極層21の上の記録層22と、 記録層22上の保護層13Bとから構成されるもの� ��する。保護層13Bは、例えば、薄い絶縁体か� ��構成される。 
 記録動作は、記録層22の記録ビット27表面に 電圧を印加し、記録ビット27の内部に電位勾� ��を発生させることにより行う。具体的には� ��電流/電圧パルスを記録ビット27に与えれば� ��い。

 (具体例1及び具体例2に関して前述した記録� ��を用いた場合)
 ここで、具体例1及び具体例2に関して前述� �た記録部を用いた場合について説明する。� �お、図14及び図15において、具体例2に係る記 録部の絶縁層12Cは省略して描かれている。

 図14は、記録について表した模式図である� � 
 まず、図14に表したように、プローブ24の電 位が電極層21の電位よりも相対的に低い状態� ��作る。電極層21を固定電位(例えば、接地電� ��)とすれば、プローブ24に負の電位を与えれ� ��よい。 
 電流パルスは、例えば、電子発生源又はホ� ��トエレクトロン源を使用し、プローブ24か� �電極層21に向かって電子を放出することによ り発生させる。あるいは、プローブ24を記録� ��ット27表面に接触させて電圧パルスを印加� �てもよい。

 この時、例えば、記録層22の記録ビット27で は、Aイオンの一部がプローブ(陰極)24側に移� ��し、結晶内のAイオンがXイオンに対して相� �的に減少する。また、プローブ24側に移動し たAイオンは、プローブ24から電子を受け取っ てメタルとして析出する。 
 記録ビット27では、Xイオンが過剰となり、� ��果的に、記録ビット27におけるAイオンある� ��はMイオンの価数を上昇させる。つまり、記 録ビット27は、相変化によるキャリアの注入� ��より電子伝導性を有するようになるため、� ��厚方向への抵抗が減少し、記録(セット動作 )が完了する。 
 なお、記録のための電流パルスは、プロー� ��24の電位が電極層21の電位よりも相対的に高 い状態を作ることにより発生させることもで きる。

 図15は、再生について表した模式図である� � 
 再生に関しては、電流パルスを記録層22の� �録ビット27に流し、記録ビット27の抵抗値を� ��出することにより行う。ただし、電流パル� ��は、記録層22の記録ビット27を構成する材料 が抵抗変化を起こさない程度の微小な値とす る。

 例えば、センスアンプS/Aにより発生した読� ��出し電流(電流パルス)をプローブ24から記録 ビット27に流し、センスアンプS/Aにより記録� ��ット27の抵抗値を測定する。 
 具体例1及び具体例2に関して前述した実施� �態に係る材料を使用すれば、セット/リセッ� ��状態の抵抗値の差は、10 ³ 以上を確保できる。 
 なお、再生では、記録媒体上をプローブ24� �より走査(スキャン)することで、連続再生が 可能となる。

 消去(リセット)動作に関しては、記録層22の 記録ビット27を大電流パルスによりジュール� ��熱して、記録ビット27における酸化還元反� �を促進させることにより行う。あるいは、� �ット動作時とは逆向きの電位差を与えるパ� �スを印加してもよい。 
 消去動作は、記録ビット27ごとに行うこと� �できるし、複数の記録ビット27又はブロック 単位で行うこともできる。

 (具体例3及び具体例4に関して前述した記録� ��を用いた場合)
 次に、具体例3及び具体例4に関して前述し� �記録部を用いた場合について説明する。な� �、図16及び図17において、具体例4に係る記録 部の絶縁層12Cは省略して描かれている。

 図16は、記録する状態を表した模式図であ� �。 
 まず、図16に表したように、プローブ24の電 位が電極層21の電位よりも相対的に低い状態� ��作る。電極層21を固定電位(例えば、接地電� ��)とすれば、プローブ24に負の電位を与えれ� ��よい。

 この時、記録層22の第1化合物層(陽極側)12 A内のAイオンの一部は、結晶中を移動し、第2 化合物(陰極側)12Bの空隙サイトに収まる。こ� ��に伴い、第1化合物層12A内のAイオン、ある� �はM1イオンの価数が増加し、第2化合物層12B� �のAイオンあるいはM2イオンの価数が減少す� �。その結果、第1化合物層12A及び第2化合物層 12Bの結晶中に電導キャリアが発生し、両者は 、共に、電気伝導性を有するようになる。

 これにより、セット動作(記録)が完了する� � 
 なお、記録動作に関して、第1化合物層12A及 び第2化合物層12Bの位置関係を逆にすれば、� �ローブ24の電位を電極層21の電位よりも相対� ��に低い状態にしてセット動作を実行するこ� ��もできる。

 図17は、再生時の状態を表す模式図である� � 
 再生動作は、電流パルスを記録ビット27に� �し、記録ビット27の抵抗値を検出することに より行う。ただし、電流パルスは、記録ビッ ト27を構成する材料が抵抗変化を起こさない� ��度の微小な値とする。 
 例えば、センスアンプS/Aにより発生した読� ��出し電流(電流パルス)をプローブ24から記録 層(記録ビット)22に流し、センスアンプS/Aに� �り記録ビットの抵抗値を測定する。既に説� �した新材料を採用すると、セット/リセット� ��態の抵抗値の差は、10 ³ 以上を確保できる。 
 なお、再生動作は、プローブ24を走査(スキ� ��ン)させることで、連続的に行うことができ る。

 リセット(消去)動作は、記録層(記録ビット) 22に大電流パルスを流すことにより発生する� ��ュール熱及びその残留熱を利用して、Aイオ ンが第2化合物層12B内の空隙サイトから第1化� ��物層12A内に戻ろうとする作用を促進してや� ��ばよい。あるいは、セット動作時とは逆向� ��の電位差を与えるパルスを印加してもよい� �� 
 消去動作は、記録ビット27ごとに行うこと� �できるし、複数の記録ビット27又はブロック 単位で行うこともできる。

 図33は、情報記録が完了した後のデータ領� �内のブロックを例示する模式図である。黒� �は、情報記録がなされた記録単位を表して� �る。 
 本実施例に係るプローブメモリによれば、� ��ードディスクと同様に、記録媒体の記録単� ��に情報記録を行うことができるとともに、� ��規な記録材料を採用することにより、現在� ��ハードディスクやフラッシュメモリよりも� ��記録密度及び低消費電力を実現できる。

 なお、記録層22に、具体例2または具体例4 に関して前述した記録層を用いた場合には、 前述した効果が発現される。すなわち、適切 な膜厚を有する高抵抗率の絶縁層を導入する ことにより、スイッチングが阻害されること なく、オン抵抗値を適切な値に設定し、リセ ット動作時において記録層22が効率的にジュ� ��ル加熱されることが可能となり、もって消� ��電力の低減化が図られる。また、記録層22� �オン状態の抵抗が増大し、オン電流が低減� �る。これらにより、セル当たり極めて小さ� �消費電力で各種動作を行うことが可能とな� �。

 (半導体メモリ) 
 次に、半導体素子と組み合わせた情報記録� ��生装置について説明する。 
 図18は、本実施形態の記録層を備えたクロ� �ポイント型半導体メモリを表す模式図であ� �。 
 ワード線WL _i-1 ,WL _i ,WL _i+1 は、X方向に延び、ビット線BL _j-1 ,BL _j ,BL _j+1 は、Y方向に延びる。 
 ワード線WL _i-1 ,WL _i ,WL _i+1 の一端は、選択スイッチとしてのMOSトランジ スタRSWを経由してワード線ドライバ&デコ� ��ダ31に接続され、ビット線BL _j-1 ,BL _j ,BL _j+1 の一端は、選択スイッチとしてのMOSトランジ スタCSWを経由してビット線ドライバ&デコ� ��ダ&読み出し回路32に接続される。

 MOSトランジスタRSWのゲートには、1本のワー ド線(ロウ)を選択するための選択信号R _i-1 ,R _i ,R _i+1 が入力され、MOSトランジスタCSWのゲートには 、1本のビット線(カラム)を選択するための選 択信号C _i-1 ,C _i ,C _i+1 が入力される。 
 メモリセル33は、ワード線WL _i-1 ,WL _i ,WL _i+1 とビット線BL _j-1 ,BL _j ,BL _j+1 との交叉部に配置される。いわゆるクロスポ イント型セルアレイ構造である。 
 メモリセル33には、記録/再生時における回� ��込み電流(sneak current)を防止するためのダイ オード34が付加される。

 図19は、図18に表した半導体メモリのメモリ セルアレイ部の構造を表す模式図である。 
 半導体チップ30上には、ワード線WL _i-1 ,WL _i ,WL _i+1 とビット線BL _j-1 ,BL _j ,BL _j+1 が配置され、これら配線の交叉部にメモリセ ル33と、ダイオード34と、が配置される。な� �、ダイオード34とワード線(WL _i 等)との間には、図示しないバリア層が設け� �れてもよい。 
 このようなクロスポイント型セルアレイ構� ��の特長は、メモリセル33に個別にMOSトラン� �スタを接続する必要がないため、高集積化� �有利な点にある。例えば、図21及び図22に表� ��たように、メモリセル33を積み重ねて、メ� �リセルアレイを3次元構造にすることも可能� ��ある。

 本実施形態の記録層を有するメモリセル33� �、例えば、図20に表したように、記録層22、� ��護層13B、及びヒータ層35のスタック構造か� �構成される。1つのメモリセル33により1ビッ� ��データを記憶する。また、ダイオード34は� �ワード線WL _i とメモリセル33との間に配置される。なお、� ��述したように、ダイオード34とワード線(WL _i 等)との間には、図示しないバリア層が設け� �れてもよい。

 図21及び図22は、メモリセルアレイの他の具 体例を表す模式図である。 
 図21に表した具体例においては、Y方向に延� ��たビット線BL _j-1 ,BL _j ,BL _j+1 の上下に、X方向に延びたワード線WL _i-1 ,WL _i ,WL _i+1 がそれぞれ設けられている。そして、これら ビット線とワード線とのクロスポイントに、 メモリセル33、34と、がそれぞれ配設されて� �る。つまり、ビット線をその上下のメモリ� �ルで共有した構造とされている。なお、ダ� �オード34とワード線(WL(d) _i 等)との間、及びダイオード34とビット線(BL _j 等)との間には、図示しないバリア層が設け� �れてもよい。

 図22に表した具体例においては、Y方向に延� ��たビット線BL _j-1 ,BL _j ,BL _j+1 と、X方向に延びたワード線WL _i-1 ,WL _i ,WL _i+1 と、が交互に積層された構造を有する。そし て、これらビット線とワード線とのクロスポ イントに、メモリセル33、34と、がそれぞれ� �設されている。つまり、ビット線とワード� �を、それらの上下のメモリセルで共有した� �造とされている。なお、ダイオード34とワー ド線(WL(d) _i 等)との間、ダイオード34とビット線(BL(d) _j )との間、及びダイオード34とワード線(WL(u) _i 等)との間には、図示しないバリア層が設け� �れてもよい。 
 図21及び図22に例示したような積層構造を採 用することにより、記録密度を上げることが 可能となる。

 次に、本実施形態の記録層を用いた半導体� ��モリの記録/再生動作について、図18~図20を� ��照しつつ説明する。 
 ここでは、図18において点線Aで囲んだメモ� ��セル33を選択し、これについて記録/再生動� ��を実行する場合について説明する。

 (具体例1及び具体例2に関して前述した記録� ��を用いた場合)
 記録(セット動作)は、選択されたメモリセ� �33に電圧を印加し、そのメモリセル33内に電� ��勾配を発生させて電流パルスを流せばよい� ��め、例えば、ワード線WL _i の電位がビット線BL _j の電位よりも相対的に低い状態を作る。ビッ ト線BL _j を固定電位(例えば、接地電位)とすれば、ワ� ��ド線WL _i に負の電位を与えればよい。

 この時、点線Aで囲まれた選択されたメモリ セル33では、A1イオンの一部がワード線(陰極) WL _i 側に移動し、結晶内のAイオンがXイオンに対� ��て相対的に減少する。また、ワード線WL _i 側に移動したAイオンは、ワード線WL _i から電子を受け取ってメタルとして析出する 。

 点線Aで囲まれた選択されたメモリセル33� ��は、Xイオンが過剰となり、結果的に、結晶 内におけるAイオンあるいはMイオンの価数を� ��昇させる。つまり、点線Aで囲まれた選択さ れたメモリセル33は、相変化によるキャリア� ��注入により電子伝導性を有するようになる� ��め、記録(セット動作)が完了する。

 なお、記録時には、非選択のワード線WL _i-1 ,WL _i+1 及び非選択のビット線BL _j-1 ,BL _j+1 については、全て同電位にバイアスしておく ことが望ましい。 
 また、記録前のスタンバイ時には、全ての� ��ード線WL _i-1 ,WL _i ,WL _i+1 及び全てのビット線BL _j-1 ,BL _j ,BL _j+1 をプリチャージしておくことが望ましい。 
 また、記録のための電流パルスは、ワード� ��WL _i の電位がビット線BL _j の電位よりも相対的に高い状態を作ることに より発生させてもよい。

 再生に関しては、電流パルスを点線Aで囲 まれた選択されたメモリセル33に流し、その� ��モリセル33の抵抗値を検出することにより� �う。ただし、電流パルスは、メモリセル33を 構成する材料が抵抗変化を起こさない程度の 微小な値とすることが必要である。

 例えば、読み出し回路により発生した読み� ��し電流(電流パルス)をビット線BL _j から点線Aで囲まれたメモリセル33に流し、読 み出し回路によりそのメモリセル33の抵抗値� ��測定する。既に説明した新材料を採用すれ� ��、セット/リセット状態の抵抗値の差は、10 ³ 以上を確保できる。

 消去(リセット)動作に関しては、点線Aで� ��まれた選択されたメモリセル33を大電流パ� �スによりジュール加熱して、そのメモリセ� �33における酸化還元反応を促進させることに より行う。

 (具体例3及び具体例4に関して前述した記録� ��を用いた場合)
 記録動作(セット動作)は、選択されたメモ� �セル33に電圧を印加し、そのメモリセル33内� ��電位勾配を発生させて電流パルスを流せば� ��いため、例えば、ワード線WL _i の電位をビット線BL _j の電位よりも相対的に低くする。ビット線BL _j を固定電位(例えば、接地電位)とすれば、ワ� ��ド線WL _i に負の電位を与えればよい。 
 この時、点線Aで囲まれた選択されたメモリ セル33では、第1化合物内のAイオンの一部が� �2化合物の空隙サイトに移動する。このため� ��第2化合物内のAイオンあるいはM2イオンの価 数が減少し、第1化合物内のAイオンあるいはM 1イオンの価数が増加する。その結果、第1及� ��第2化合物の結晶中に電導キャリアが発生し 、両者は、共に、電気伝導性を有するように なる。 
 これにより、セット動作(記録)が完了する� �

 なお、記録時には、非選択のワード線WL _i-1 ,WL _i+1 及び非選択のビット線BL _j-1 ,BL _j+1 については、全て同電位にバイアスしておく ことが望ましい。 
 また、記録前のスタンバイ時には、全ての� ��ード線WL _i-1 ,WL _i ,WL _i+1 及び全てのビット線BL _j-1 ,BL _j ,BL _j+1 をプリチャージしておくことが望ましい。 
 電流パルスは、ワード線WL _i の電位がビット線BL _j の電位よりも相対的に高い状態を作ることに より発生させてもよい。

 再生動作は、電流パルスを点線Aで囲まれた 選択されたメモリセル33に流し、そのメモリ� ��ル33の抵抗値を検出することにより行う。� �だし、電流パルスは、メモリセル33を構成す る材料が抵抗変化を起こさない程度の微小な 値とすることが必要である。
 例えば、読み出し回路により発生した読み� ��し電流(電流パルス)をビット線BL _j から点線Aで囲まれたメモリセル33に流し、読 み出し回路によりそのメモリセル33の抵抗値� ��測定する。既に説明した新材料を採用すれ� ��、セット/リセット状態の抵抗値の差は、10 ³ 以上を確保できる。

 リセット(消去)動作は、点線Aで囲まれた� ��択されたメモリセル33に大電流パルスを流� �ことにより発生するジュール熱及びその残� �熱を利用して、Aイオン元素が第2化合物内の 空隙サイトから第1化合物内に戻ろうとする� �用を促進してやればよい。

 以上説明したように、本実施形態の半導体� ��モリによれば、現在のハードディスクやフ� ��ッシュメモリよりも高記録密度及び低消費� ��力を実現できる。 
 なお、記録層22に、具体例2または具体例4に 関して前述した記録層を用いた場合には、前 述した効果が発現される。すなわち、適切な 膜厚を有する高抵抗率の絶縁層を導入するこ とにより、スイッチングが阻害されることな く、オン抵抗値を適切な値に設定し、リセッ ト動作時において記録層22が効率的にジュー� ��加熱されることが可能となり、もって消費� ��力の低減化が図られる。また、記録層22の� �ン状態の抵抗が増大し、オン電流が低減す� �。これらにより、セル当たり極めて小さな� �費電力で各種動作を行うことが可能となる� �

 (フラッシュメモリ) 
 本実施形態は、フラッシュメモリに適用す� ��ことも可能である。  
 図23は、フラッシュメモリのメモリセルを� �す模式断面図である。 
 フラッシュメモリのメモリセルは、MIS(metal- insulator-semiconductor)トランジスタから構成され る。

 半導体基板41の表面領域には、拡散層42が形 成される。拡散層42の間のチャネル領域上に� ��、ゲート絶縁層43が形成される。ゲート絶� �層43上には、本実施形態の記録層(RRAM:Resistive  RAM)44が形成される。記録部44上には、コン� �ロールゲート電極45が形成される。 
 半導体基板41は、ウェル領域でもよく、ま� �、半導体基板41と拡散層42とは、互いに逆の� ��電型を有する。コントロールゲート電極45� �、ワード線となり、例えば、導電性ポリシ� �コンから構成される。 
 記録層44は、具体例1~具体例4に関して前述� �た記録層12を構成する材料により形成される 。

 図23を参照しつつ、その基本動作について� �明する。 
 セット(書き込み)動作は、コントロールゲ� �ト電極45に電位V1を与え、半導体基板41に電� �V2を与えることにより実行する。 
 電位V1,V2の差は、記録層44が相変化又は抵抗 変化するのに十分な大きさであることが必要 であるが、その向きについては、特に、限定 されない。 
 すなわち、V1>V2及びV1<V2のいずれでもよ い。 
 例えば、初期状態(リセット状態)において� �記録層44が絶縁体(抵抗大)であると仮定する� ��、実質的にゲート絶縁層43が厚くなったこ� �になるため、メモリセル(MISトランジスタ)の 閾値は、高くなる。

 この状態から電位V1,V2を与えて記録層44を導 電体(抵抗小)に変化させると、実質的にゲー� ��絶縁層43が薄くなったことになるため、メ� �リセル(MISトランジスタ)の閾値は、低くなる 。 
 なお、電位V2は、半導体基板41に与えたが、 これに代えて、メモリセルのチャネル領域に 拡散層42から電位V2を転送するようにしても� �い。

 リセット(消去)動作は、コントロールゲー� �電極45に電位V1’を与え、拡散層42の一方に� �位V3を与え、拡散層42の他方に電位V4(<V3)を 与えることにより実行する。 
 電位V1’は、セット状態のメモリセルの閾� �を越える値にする。 
 この時、メモリセルは、オンになり、電子� ��拡散層42の他方から一方に向かって流れる� �共に、ホットエレクトロンが発生する。こ� �ホットエレクトロンは、ゲート絶縁層43を介 して記録層44に注入されるため、記録層44の� �度が上昇する。 
 これにより、記録層44は、導電体(抵抗小)か ら絶縁体(抵抗大)に変化するため、実質的に� ��ート絶縁層43が厚くなったことになり、メ� �リセル(MISトランジスタ)の閾値は、高くなる 。 
 このように、フラッシュメモリと類似した� ��理により、メモリセルの閾値を変えること� ��できるため、フラッシュメモリの技術を利� ��して、本実施形態の例に係る情報記録再生� ��置を実用化できる。

 (NAND型フラッシュメモリ)
 図24は、NANDセルユニットの回路図である。� �
 また、図25は、本実施形態に係るNANDセルユ� ��ットの構造を表す模式図である。

 P型半導体基板41a内には、N型ウェル領域41b� �びP型ウェル領域41cが形成される。P型ウェル 領域41c内に、本実施形態の例に係るNANDセル� �ニットが形成される。 
 NANDセルユニットは、直列接続される複数の メモリセルMCからなるNANDストリングと、その 両端に1つずつ接続される合計2つのセレクト� ��ートトランジスタSTとから構成される。 
 メモリセルMC及びセレクトゲートトランジ� �タSTは、同じ構造を有する。具体的には、こ れらは、N型拡散層42と、N型拡散層42の間のチ ャネル領域上のゲート絶縁層43と、ゲート絶� ��層43上の記録層(RRAM)44と、記録層44上のコン� ��ロールゲート電極45と、から構成される。

 メモリセルMCの記録層44の状態(絶縁体/導電� ��)は、上述した基本動作により変化させるこ とが可能である。これに対し、セレクトゲー トトランジスタSTの記録層44は、セット状態� �すなわち、導電体(抵抗小)に固定される。 
 セレクトゲートトランジスタSTの1つは、ソ� ��ス線SLに接続され、他の1つは、ビット線BL� �接続される。

 セット(書き込み)動作前には、NANDセルユニ� ��ト内の全てのメモリセルは、リセット状態( 抵抗大)になっているものとする。 
 セット(書き込み)動作は、ソース線SL側のメ モリセルMCからビット線BL側のメモリセルに� �かって1つずつ順番に行われる。 
 選択されたワード線(コントロールゲート電 極)WLに書き込み電位としてV1(プラス電位)を� �え、非選択のワード線WLに転送電位(メモリ� �ルMCがオンになる電位)としてVpassを与える。

 ソース線SL側のセレクトゲートトランジス� �STをオフ、ビット線BL側のセレクトゲートト� ��ンジスタSTをオンにし、ビット線BLから選択 されたメモリセルMCのチャネル領域にプログ� ��ムデータを転送する。 
 例えば、プログラムデータが“1”のときは 、選択されたメモリセルMCのチャネル領域に� ��き込み禁止電位(例えば、V1と同じ程度の電� ��)を転送し、選択されたメモリセルMCの記録� ��44の抵抗値が高い状態から低い状態に変化� �ないようにする。 
 また、プログラムデータが“0”のときは、 選択されたメモリセルMCのチャネル領域にV2(& lt;V1)を転送し、選択されたメモリセルMCの記� ��層44の抵抗値を高い状態から低い状態に変� �させる。

 リセット(消去)動作では、例えば、全ての� �ード線(コントロールゲート電極)WLにV1’を� �え、NANDセルユニット内の全てのメモリセルM Cをオンにする。また、2つのセレクトゲート� ��ランジスタSTをオンにし、ビット線BLにV3を� ��え、ソース線SLにV4(<V3)を与える。 
 この時、ホットエレクトロンがNANDセルユニ ット内の全てのメモリセルMCの記録層44に注� �されるため、NANDセルユニット内の全てのメ� ��リセルMCに対して一括してリセット動作が� �行される。

 読み出し動作は、選択されたワード線(コン トロールゲート電極)WLに読み出し電位(プラ� �電位)を与え、非選択のワード線(コントロー ルゲート電極)WLには、メモリセルMCがデータ� ��0”、“1”によらず必ずオンになる電位を� �える。 
 また、2つのセレクトゲートトランジスタST� ��オンにし、NANDストリングに読み出し電流を 供給する。 
 選択されたメモリセルMCは、読み出し電位� �印加されると、それに記憶されたデータの� �に応じてオン又はオフになるため、例えば� �読み出し電流の変化を検出することにより� �データを読み出すことができる。

 なお、図25に表した構造では、セレクト� �ートトランジスタSTは、メモリセルMCと同じ� ��造を有しているが、例えば、図26に表した� �うに、セレクトゲートトランジスタSTについ ては、記録層を形成せずに、通常のMISトラン ジスタとすることも可能である。

 図27は、NAND型フラッシュメモリの変形例を� ��す模式図である。 
 この変形例は、NANDストリングを構成する複 数のメモリセルMCのゲート絶縁層がP型半導体 層47に置き換えられている構造を有する。 
 高集積化が進み、メモリセルMCが微細化さ� �ると、電圧を与えていない状態で、P型半導� ��層47は、空乏層で満たされることになる。

 セット(書き込み)時には、選択されたメモ� �セルMCのコントロールゲート電極45にプラス� ��書き込み電位(例えば、3.5V)を与え、かつ、� ��選択のメモリセルMCのコントロールゲート� �極45にプラスの転送電位(例えば、1V)を与え� �。 
 この時、NANDストリング内の複数のメモリセ ルMCのP型ウェル領域41cの表面がP型からN型に� ��転し、チャネルが形成される。

 そこで、上述したように、ビット線BL側� �セレクトゲートトランジスタSTをオンにし、 ビット線BLから選択されたメモリセルMCのチ� �ネル領域にプログラムデータ“0”を転送す� ��ば、セット動作を行うことができる。

 リセット(消去)は、例えば、全てのコン� �ロールゲート電極45にマイナスの消去電位(� �えば、-3.5V)を与え、P型ウェル領域41c及びP型 半導体層47に接地電位(0V)を与えれば、NANDス� �リングを構成する全てのメモリセルMCに対し て一括して行うことができる。

 読み出し時には、選択されたメモリセルM Cのコントロールゲート電極45にプラスの読み 出し電位(例えば、0.5V)を与え、かつ、非選択 のメモリセルMCのコントロールゲート電極45� �、メモリセルMCがデータ“0”、“1”によら� ��必ずオンになる転送電位(例えば、1V)を与え る。

 ただし、“1”状態のメモリセルMCの閾値電� ��Vth”1”は、0V < Vth”1” < 0.5Vの範囲� ��にあるものとし、“0”状態のメモリセルMC� ��閾値電圧Vth”0”は、0.5V < Vth”0” <  1Vの範囲内にあるものとする。 
 また、2つのセレクトゲートトランジスタST� ��オンにし、NANDストリングに読み出し電流を 供給する。 
 このような状態にすれば、選択されたメモ� ��セルMCに記憶されたデータの値に応じてNAND� ��トリングに流れる電流量が変わるため、こ� ��変化を検出することにより、データを読み� ��すことができる。

 なお、この変形例においては、P型半導体層 47のホールドープ量がP型ウェル領域41cのそれ よりも多く、かつ、P型半導体層47のフェルミ レベルがP型ウェル領域41cのそれよりも0.5V程� ��深くなっていることが望ましい。 
 これは、コントロールゲート電極45にプラ� �の電位を与えたときに、N型拡散層42間のP型� ��ェル領域41cの表面部分からP型からN型への� �転が開始し、チャネルが形成されるように� �るためである。

 このようにすることで、例えば、書き込み� ��には、非選択のメモリセルMCのチャネルは� �P型ウェル領域41cとP型半導体層47の界面のみ� ��形成され、読み出し時には、NANDストリング 内の複数のメモリセルMCのチャネルは、P型ウ ェル領域41cとP型半導体層47の界面のみに形成 される。 
 つまり、メモリセルMCの記録層44が導電体(� �ット状態)であっても、拡散層42とコントロ� �ルゲート電極45とが短絡することはない。

 (NOR型フラッシュメモリ) 
 図28は、NORセルユニットの回路図である。 
 また、図29は、本実施形態の例に係るNORセ� �ユニットの構造を表す模式図である。

 P型半導体基板41a内には、N型ウェル領域41b� �びP型ウェル領域41cが形成されている。P型ウ ェル領域41c内に、本実施形態の例に係るNORセ ルが形成されている。 
 NORセルは、ビット線BLとソース線SLとの間に 接続される1つのメモリセル(MISトランジスタ) MCから構成される。 
 メモリセルMCは、N型拡散層42と、N型拡散層4 2の間のチャネル領域上のゲート絶縁層43と、 ゲート絶縁層43上の記録層(RRAM)44と、記録層44 上のコントロールゲート電極45と、から構成� ��れる。メモリセルMCの記録層44の状態(絶縁� �/導電体)は、上述の基本動作により変化させ ることが可能である。

 (2トランジスタ型フラッシュメモリ)
 図30は、2トランジスタ型セルユニットの回� ��図である。 
 また、図31は、本実施形態に係る2トラセル� ��ニットの構造を表す模式図である。

 2トランジスタ型セルユニットは、NANDセル� �ニットの特徴とNORセルの特徴とを併せ持っ� �新たなセル構造として最近開発されたもの� �ある。 
 P型半導体基板41a内には、N型ウェル領域41b� �びP型ウェル領域41cが形成される。P型ウェル 領域41c内に、本実施形態の例に係る2トラン� �スタ型セルユニットが形成される。

 2トランジスタ型セルユニットは、直列接続 される1つのメモリセルMCと1つのセレクトゲ� �トトランジスタSTとから構成される。 
 メモリセルMC及びセレクトゲートトランジ� �タSTは、同じ構造を有する。具体的には、こ れらは、N型拡散層42と、N型拡散層42の間のチ ャネル領域上のゲート絶縁層43と、ゲート絶� ��層43上の記録層(RRAM)44と、記録層44上のコン� ��ロールゲート電極45と、から構成される。 
 メモリセルMCの記録層44の状態(絶縁体/導電� ��)は、上述の基本動作により変化させること が可能である。これに対し、セレクトゲート トランジスタSTの記録層44は、セット状態、� �なわち、導電体(抵抗小)に固定される。

 セレクトゲートトランジスタSTは、ソース� �SLに接続され、メモリセルMCは、ビット線BL� �接続される。 
 メモリセルMCの記録層44の状態(絶縁体/導電� ��)は、上述の基本動作により変化させること が可能である。 
 図31に表した構造では、セレクトゲートト� �ンジスタSTは、メモリセルMCと同じ構造を有� ��ているが、例えば、図32に表したように、� �レクトゲートトランジスタSTについては、記 録層を形成せずに、通常のMISトランジスタと することも可能である。

 上記以外にも、本実施形態で提案する材料� ��び原理を、現在のハードディスクやDVDなど� ��記録媒体に適用することも可能である。 
 なお、これらフラッシュメモリにおいて、� ��録層44に具体例2または具体例4に関して前述 した記録層を用いた場合には、前述した効果 が発現される。すなわち、適切な膜厚を有す る高抵抗率の絶縁層を導入することにより、 スイッチングが阻害されることなく、オン抵 抗値を適切な値に設定し、リセット動作時に おいて記録層44が効率的にジュール加熱され� ��ことが可能となり、もって消費電力の低減� ��が図られる。また、記録層44のオン状態の� �抗が増大し、オン電流が低減する。これら� �より、セル当たり極めて小さな消費電力で� �種動作を行うことが可能となる。

 次に、本発明の実施形態に係る記録媒体の� ��造方法について説明する。 
 ここでは、図13に表した記録媒体の構造を� �に挙げて説明する。 
 基板20は、ガラスから構成される直径約60mm� ��厚さ約1mmのディスクとする。このような基� ��20上に、Pt(プラチナ)を約500nmの厚さで蒸着� �て電極層21を形成する。

 電極層21上においては、まず、TiNが堆積さ� �るように組成が調整されたターゲットを用� �て、(110)配向が得られるよう調整されたパワ ーのRF電源を用いて成膜する。続いてZnMn ₂ O ₄ が堆積されるように組成が調整されたターゲ ットを用いて、温度300~600℃、Ar(アルゴン)95%� ��O ₂ (酸素)5%、の雰囲気中で、RFマグネトロンスパ ッタを行い、記録層22の一部を構成する厚さ� ��10nmのZnMn ₂ O ₄ を形成する。

 続けて、RFマグネトロンスパッタにより、Zn Mn ₂ O ₄ 上に、厚さ約3nmのTiO ₂ を形成する。その結果、記録層22は、ZnMn ₂ O ₄ とTiO ₂ との積層構造を有することになる。 
 最後に、記録層22上に、保護層13Bを形成す� �ば、図13に表すような記録媒体が完成する。

 (実験例)
 次に、いくつかのサンプルを作成し、リセ� ��ト(消去)状態とセット(書き込み)状態との抵 抗差について評価した実験例について説明す る。

 サンプルとしては、図12に表した構造を� �する記録媒体を使用する。評価は、先端の� �が10nm以下に先鋭化されたプローブ対を使用� ��る。

 プローブ対を保護層13Bに接触させ、書き� ��み/消去は、そのうちの1つを用いて実行す� �。書き込みは、記録層22に、例えば、10nsec幅 で、1Vの電圧パルスを印加することにより行� ��。消去は、記録層22に、例えば、100nsec幅で� ��0.2Vの電圧パルスを印加することにより行う 。

 また、書き込み/消去の合間に、プローブ 対の他の1つを用いて読み出しを実行する。� �み出しは、記録層22に、10nsec幅で、0.1Vの電� �パルスを印加し、記録層(記録ビット)22の抵� ��値を測定することにより行う。

 (第1実験例) 
 第1実験例のサンプルの仕様は、以下の通り である。 
 記録層22は、厚さ約10nmのZn _1.1 Mn _1.9 O ₄ と、厚さ約1nmのZnAl ₂ O ₄ と、厚さ約5nmのTiO ₂ と、からなる積層構造から構成する。 
 この場合、リセット状態の抵抗値は、10 ⁷ ω台、セット状態の抵抗値は、10 ⁴ ω台という結果が期待される。また、サイク� ��寿命は、10万サイクル以上を実現できるこ� �が期待される。

 (第2実験例) 
 第2実験例のサンプルの仕様は、以下の通り である。 
 記録層22は、厚さ約10nmのZnCo ₂ O ₄ と、厚さ約1nmのZnAl ₂ O ₄ と、厚さ約5nmのTiO ₂ と、からなる積層構造から構成する。 
 この場合、リセット状態の抵抗値は、10 ⁷ ω台、セット状態の抵抗値は、10 ⁴ ω台という結果が期待される。また、サイク� ��寿命は、10万サイクル以上を実現できるこ� �が期待される。

 (第3実験例) 
 第3実験例のサンプルの仕様は、以下の通り である。 
 記録層22は、厚さ約10nmのZnMn ₂ O ₄ と、厚さ約1nmのZn ₂ TiO ₄ と、厚さ約5nmのTiO ₂ と、からなる積層構造から構成する。 
 この場合、リセット状態の抵抗値は、10 ⁷ ω台、セット状態の抵抗値は、10 ⁵ ω台という結果が期待される。また、サイク� ��寿命は、10万サイクル以上を実現できるこ� �が期待される。

 (第4実験例) 
 第4実験例のサンプルの仕様は、以下の通り である。 
 記録層22は、厚さ約10nmのZnCo ₂ O ₄ と、厚さ約1nmのZn ₂ SnO ₄ と、厚さ約5nmのZrO ₂ と、からなる積層構造から構成する。 
 この場合、リセット状態の抵抗値は、10 ⁷ ω台、セット状態の抵抗値は、10 ⁴ ω台という結果が期待される。また、サイク� ��寿命は、10万サイクル以上を実現できるこ� �が期待される。

 (第5実験例) 
 第5実験例のサンプルの仕様は、以下の通り である。 
 記録層22は、厚さ約10nmのZnMoO ₃ と、厚さ約1nmのZnGeO ₃ と、厚さ約5nmのTiO ₂ と、からなる積層構造から構成する。 
 この場合、リセット状態の抵抗値は、10 ⁷ ω台、セット状態の抵抗値は、10 ⁴ ω台という結果が期待される。また、サイク� ��寿命は、10万サイクル以上を実現できるこ� �が期待される。

 (第6実験例) 
 第6実験例のサンプルの仕様は、以下の通り である。 
 記録層22は、厚さ約10nmのZnWO ₃ と、厚さ約1nmのZnSnO ₃ と、厚さ約5nmのNb3%入りZrO ₂ と、からなる積層構造から構成する。 
 この場合、リセット状態の抵抗値は、10 ⁷ ω台、セット状態の抵抗値は、10 ⁴ ω台という結果が期待される。また、サイク� ��寿命は、10万サイクル以上を実現できるこ� �が期待される。

 (第7実験例) 
 第7実験例のサンプルの仕様は、以下の通り である。 
 記録層22は、厚さ約10nmのZnNbN ₂ と、厚さ約1nmのZnGeN ₂ と、厚さ約5nmのNbONと、からなる積層構造か� �構成する。 
 この場合、リセット状態の抵抗値は、10 ⁷ ω台、セット状態の抵抗値は、10 ⁴ ω台という結果が期待される。また、サイク� ��寿命は、10万サイクル以上を実現できるこ� �が期待される。

 (第8実験例) 
 第8実験例のサンプルの仕様は、以下の通り である。 
 記録層22は、厚さ約10nmのZnTaN ₂ と、厚さ約1nmのZnGeN ₂ と、厚さ約5nmのTaONと、からなる積層構造か� �構成する。 
 この場合、リセット状態の抵抗値は、10 ⁷ ω台、セット状態の抵抗値は、10 ⁴ ω台という結果が期待される。また、サイク� ��寿命は、10万サイクル以上を実現できるこ� �が期待される。

 (第9実験例) 
 第9実験例のサンプルの仕様は、以下の通り である。 
 記録層22は、厚さ約10nmのZnMn ₂ O ₄ と、厚さ約1nmのZnOと、厚さ約5nmのZrO ₂ と、からなる積層構造から構成する。 
 この場合、リセット状態の抵抗値は、10 ⁷ ω台、セット状態の抵抗値は、10 ⁴ ω台という結果が期待される。また、サイク� ��寿命は、10万サイクル以上を実現できるこ� �が期待される。

 (第10実験例) 
 第10実験例のサンプルの仕様は、以下の通� �である。 
 記録層22は、厚さ約10nmのZnCo ₂ O ₄ と、厚さ約2nmのZnOと、厚さ約5nmのReO ₃ と、からなる積層構造から構成する。 
 この場合、リセット状態の抵抗値は、10 ⁷ ω台、セット状態の抵抗値は、10 ⁴ ω台という結果が期待される。また、サイク� ��寿命は、10万サイクル以上を実現できるこ� �が期待される。

 (第11実験例) 
 第11実験例のサンプルの仕様は、以下の通� �である。 
 記録層22は、厚さ約10nmのNaFeO ₂ と、厚さ約2nmのNaAlO ₂ と、厚さ約5nmのWO ₃ と、からなる積層構造から構成する。 
 この場合、リセット状態の抵抗値は、10 ⁷ ω台、セット状態の抵抗値は、10 ⁴ ω台という結果が期待される。また、サイク� ��寿命は、10万サイクル以上を実現できるこ� �が期待される。

 (第12実験例) 
 第12実験例のサンプルの仕様は、以下の通� �である。 
 記録層22は、厚さ約10nmのNaFeO ₂ と、厚さ約2nmのNaYF ₄ と、厚さ約5nmのReO ₃ と、からなる積層構造から構成する。 
 この場合、リセット状態の抵抗値は、10 ⁷ ω台、セット状態の抵抗値は、10 ⁴ ω台という結果が期待される。また、サイク� ��寿命は、10万サイクル以上を実現できるこ� �が期待される。

 (第13実験例) 
 第13実験例のサンプルの仕様は、以下の通� �である。 
 記録層22は、厚さ約10nmのMgMn ₂ O ₄ と、厚さ約2nmのMgAl ₂ O ₄ と、厚さ約5nmのReO ₃ と、からなる積層構造から構成する。 
 この場合、リセット状態の抵抗値は、10 ⁷ ω台、セット状態の抵抗値は、10 ⁴ ω台という結果が期待される。また、サイク� ��寿命は、10万サイクル以上を実現できるこ� �が期待される。

 (第14実験例) 
 第14実験例のサンプルの仕様は、以下の通� �である。 
 記録層22は、厚さ約10nmのMgMn ₂ O ₄ と、厚さ約2nmのMgOと、厚さ約5nmのWO ₃ と、からなる積層構造から構成する。 
 この場合、リセット状態の抵抗値は、10 ⁷ ω台、セット状態の抵抗値は、10 ⁴ ω台という結果が期待される。また、サイク� ��寿命は、10万サイクル以上を実現できるこ� �が期待される。

 (第15実験例) 
 第15実験例のサンプルの仕様は、以下の通� �である。 
 記録層22は、厚さ約10nmのMgMoO ₃ と、厚さ約2nmのMgSnO ₃ と、厚さ約5nmのWO ₃ と、からなる積層構造から構成する。 
 この場合、リセット状態の抵抗値は、10 ⁷ ω台、セット状態の抵抗値は、10 ⁴ ω台という結果が期待される。また、サイク� ��寿命は、10万サイクル以上を実現できるこ� �が期待される。

 (比較例) 
 比較例のサンプルの仕様は、以下の通りで� ��る。 
 記録層22は、厚さ約10nmのZn _1.1 Mn _1.9 O ₄ と、厚さ約5nmのTiO ₂ と、からなる積層構造のみから構成する。 
 この場合、サイクル寿命は、第1実験例~第15 実験例と同様に10万サイクル以上を実現でき� ��ことが予想される。また、リセット状態の� ��抗値は、第1実験例~第15実験例と同様の10 ⁷ ω台であることが予想されるが、セット状態� ��抵抗値は、10 ² ~10 ³ ωという低い結果が得られることが予想され� ��。

 以上説明したように、第1実験例~第15実験例 のいずれのサンプルにおいても、書き込み、 消去、及び読み出しの基本動作及び十分なサ イクル寿命を満たしている。また、これら実 験例では、セット時の抵抗値は比較例に比べ 1~2桁程度高い。すなわち、良好なオン抵抗値 が得られている。これにより、記録層の効率 的なジュール加熱が可能になるとともに、記 録層のオン電流が低減し、もって消費電力の 低減化が図られる。 
 図34は、第1実験例~第15実験例及び比較例の� ��想値を表す表である。

 以上説明したように、本発明の実施形態に� ��れば、情報記録(書き込み)は、電場が印加� �れた部位(記録単位)のみで行われるため、極 めて微細な領域に、極めて小さな消費電力で 情報を記録できる。これにより、多数セルの 同時並行処理が可能となり、チップ当たり極 めて高速な動作を行うことが可能となる。 
 また、消去は、熱を印加することにより行� ��が、本実施形態の例で提案する材料を用い� ��ば酸化物の構造変化がほとんど生じないた� ��、小さな消費電力で消去が可能となる。あ� ��いは、消去は記録時と逆向きの電場を印加� ��て行うこともできる。この場合には、熱の� ��散というエネルギーロスが少ないため、よ� ��小さな消費電力で消去が可能となる。

 さらに、本実施形態によれば、書き込み後� ��おいては、絶縁体内に導体部が形成された� ��となるため、読み出しの際においては、電� ��が導体部に集中して流れることになり、感� ��効率が極めて高い記録原理を実現できる。� �
 さらに、本実施形態によれば、移動しやす� ��陽イオンと、母体構造を安定に保つ遷移元� ��イオンと、を組みあわせることにより、繰� ��返し安定に記録消去することが可能となる� ��

 さらに、記録層に具体例2または具体例4� �関して前述した記録層を用いた場合には、� �の効果が発現される。すなわち、適切な膜� �を有する高抵抗率の絶縁層を導入すること� �より、スイッチングが阻害されることなく� �オン抵抗値を適切な値に設定し、リセット� �作時において記録層が効率的にジュール加� �されることが可能となり、もって消費電力� �低減化が図られる。また、記録層のオン状� �の抵抗が増大し、オン電流が低減する。こ� �らにより、セル当たり極めて小さな消費電� �で各種動作を行うことが可能となる。

 このように、本実施形態の例によれば、� ��めて単純な仕組みであるにもかかわらず、� ��来技術では到達することのできない記録密� ��による情報記録が可能になるとともに、高� ��動作が可能になる。したがって、本実施形� ��の例は、現在の不揮発性メモリの記録密度� ��壁を打ち破る次世代技術として産業上のメ� ��ットは多大である。

 なお、本実施形態の例は、上述の実施の� ��態に限定されるものではなく、その要旨を� ��脱しない範囲で、各構成要素を変形して具� ��化できる。また、本実施形態の例は、成膜� ��れた直後の状態を初期状態として、セット� ��リセットを定義したが、セット、リセット� ��定義は任意のものであり、本実施形態の例� ��限定されるものではない。さらに、上述の� ��施形態に開示されている複数の構成要素の� ��宜な組み合せにより種々の発明を構成でき� ��。例えば、上述の実施形態に開示される全� ��成要素から幾つかの構成要素を削除しても� ��いし、異なる実施形態の構成要素を適宜組� ��合わせてもよい。