スピン伝導素子及び磁気ヘッド
【課題】高温域におけるスピン注入効率の低下が抑制されたスピン伝導素子及び磁気ヘッドを提供する。
【解決手段】Ｓｉで構成されるチャンネル層１０と、チャンネル層１０上に形成された強磁性層２０Ａ、２０Ｂと、チャンネル層１０と強磁性層２０Ａ、２０Ｂとの間に介在するように形成され、ＢａＯで構成されるトンネル層２２Ａ、２２Ｂとを備える構造のスピン伝導素子。シリコンの格子定数は５．４３０９Åであり、ＢａＯの格子定数は５．５２６３Åである。シリコンの格子定数に対して、ＢａＯの格子定数は１．８％の差（不整合率）があり、この値は、シリコンとＭｇＯの格子定数の差と比較して１／５程度である。トンネル材料としてＢａＯを採用し、シリコンとトンネル材料との間の格子定数の差を従来材料に比べて低減することで、高温域におけるスピン注入効率の低下が抑制される。
【解決手段】Ｓｉで構成されるチャンネル層１０と、チャンネル層１０上に形成された強磁性層２０Ａ、２０Ｂと、チャンネル層１０と強磁性層２０Ａ、２０Ｂとの間に介在するように形成され、ＢａＯで構成されるトンネル層２２Ａ、２２Ｂとを備える構造のスピン伝導素子。シリコンの格子定数は５．４３０９Åであり、ＢａＯの格子定数は５．５２６３Åである。シリコンの格子定数に対して、ＢａＯの格子定数は１．８％の差（不整合率）があり、この値は、シリコンとＭｇＯの格子定数の差と比較して１／５程度である。トンネル材料としてＢａＯを採用し、シリコンとトンネル材料との間の格子定数の差を従来材料に比べて低減することで、高温域におけるスピン注入効率の低下が抑制される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン伝導素子及び磁気ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、半導体におけるスピン伝導の現象が多くの注目を集めている。特にシリコンは現在の主な半導体製品の中心となる材料であり、シリコンベースのスピントロニクスが実現できれば、既存技術を捨てることなく、シリコンデバイスに新しい機能を付加することができる。
【０００３】
例えば、下記特許文献１に開示されているｓｐｉｎ−ＭＯＳＦＥＴが挙げられる。最近になって、下記非特許文献１において、シリコンにおける室温でのスピン伝導現象も証明されており、応用に向けた動きが始まっている。最近まで室温におけるスピン伝導現象が観測されなかった理由の一つが、シリコンへのスピン注入効率の温度依存性が温度の上昇と共に急激に減少することが原因の一つであった（下記非特許文献２、３参照）。物理的にはシリコンとトンネル材料の界面におけるスピン散乱が大きな原因と予測されるが、これまでの原因の特定には至っていない。
【０００４】
なお、スピン注入のためにシリコン上に形成するトンネル層の材料（トンネル材料）として、Ａｌ２Ｏ３（非特許文献４）、ＳｉＯ２（非特許文献５）、ＭｇＯ（非特許文献６）が従来より知られており、いずれもスピントロニクスにおいて代表的な物質である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１１１９０４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】T.Suzuki et. al., Applied Physics Express 4 (2011), 023003
【非特許文献２】T.Sasaki et. al., Applied Physics Letter 96(2010), 122101
【非特許文献３】T.Sasaki et. al., Applied Physics Letter 98(2011), 012508
【非特許文献４】Erveet. al., Applied Physics Letter 91(2007), 212109
【非特許文献５】C. H.Li et. al., Applied Physics Letter 95(2009), 172102
【非特許文献６】T.Sasaki et. al., Applied Physics Express 2 (2009), 053003
【非特許文献７】F. J.Jedema Nature London 416(2002), 713
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したいずれのトンネル材料もアモルファスが安定状態であるが、シリコンに対して格子定数が９％以上異なるかアモルファス膜となるため、シリコン上にエピタキシャル成長しにくい。もし仮に、エピタキシャル成長が実現できたとしても、格子定数の差が大きいために、成長界面付近で格子の不整合を形成して準安定状態を形成する必要がある。このような場合には、格子の不整合が生じている部分でスピンが散乱され、効率よくスピン注入されない虞がある。特に、高温下において、スピン注入効率が著しく低下する虞がある。
【０００８】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、高温域におけるスピン注入効率の低下が抑制されたスピン伝導素子及び磁気ヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
高温域におけるスピン注入の低下抑制を実現するために、発明者らはシリコンとトンネル材料との間の格子定数の違いに着目した。この格子定数の違いによる格子不整合を取り除くためには、シリコンと格子定数が近いトンネル材料を選択する必要がある。シリコンと格子定数が近く、シリコン上にエピタキシャル成長する物質は多く知られているが、上述した問題を解決するためにはさらに、スピンがトンネルしやすい材料を選択する必要がある。
【００１０】
そこで、発明者らは、Ｓｉで構成されるチャンネル層と、チャンネル層上に形成された強磁性層と、チャンネル層と強磁性層との間に介在するように形成され、ＢａＯで構成されるトンネル層とを備える構造のスピン伝導素子を新たに見いだした。
【００１１】
ここで、ＢａＯの結晶構造は、従来のＭｇＯの結晶構造と同一であり、高効率のスピントンネル現象を生じさせるコヒーレントトンネルを実現することができる。さらに、ＢａＯは、ＭｇＯと同じアルカリ土類物質で構成された酸化物である。
【００１２】
そして、シリコンの格子定数は５．４３０９Åであり、ＢａＯの格子定数は５．５２６３Åである。シリコンの格子定数に対して、ＢａＯの格子定数は１．８％の差（不整合率）があり、この値は、シリコンとＭｇＯの格子定数の差と比較して１／５程度である。
【００１３】
このように、トンネル材料としてＢａＯを採用し、シリコンとトンネル材料との間の格子定数の差を従来材料に比べて低減することで、高温域におけるスピン注入効率の低下が抑制されることを発明者らは鋭意研究の末に見いだした。
【００１４】
また、チャンネル層とトンネル層との界面の少なくとも一部が格子整合している態様であってもよい。
【００１５】
さらに、トンネル層の膜厚が１．０〜２．５ｎｍである態様であってもよい。
【００１６】
また、強磁性層が単磁区化されている態様であってもよく、強磁性層は、形状異方性により磁化の方位が固定されている態様や、反強磁性膜で磁化の方位が固定されている態様、シンセティック膜によって磁化の方位が固定されている態様であってもよい。
【００１７】
また、強磁性層の材料は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｔｂからなる群から選択される金属、前記群の元素を１以上含む合金、又は、前記群から選択される１以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群から選択される１以上の元素とを含む化合物である態様であってもよい。
【００１８】
なお、本発明のスピン伝導素子は、磁気ヘッド、スピントランジスタ、メモリ、センサ、論理回路等に適用することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、高温域におけるスピン注入効率の低下が抑制されたスピン伝導素子及び磁気ヘッドが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る磁気センサーの概略断面図である。
【図２】図２は、図１に示す磁気センサーの電極部分の部分拡大図である。
【図３】図３は、図１に示す磁気センサーのＨａｎｌｅ効果を示したグラフである。
【図４】図４は、従来技術に係る磁気センサーのＨａｎｌｅ効果を示したグラフである。
【図５】図５は、スピン注入効率の温度依存性を示したグラフである。
【図６】図６は、８Ｋで規格化したスピン注入効率の温度依存性を示したグラフである。
【図７】図７は、図１とは異なる態様の磁気センサーの概略断面図である。
【図８】図８は、図７に示す磁気センサーを含む磁気ヘッドを示した概略断面図である。
【図９】図９は、図２とは異なる態様の電極部分の部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２２】
図１に示すように、スピン伝導素子の一つである磁気センサー１は、チャンネル層１０と、第一強磁性層２０Ａと、第二強磁性層２０Ｂとを有し、Ｚ軸方向の外部磁界を検出するものである。
【００２３】
チャンネル層１０は、第一強磁性層２０Ａから第二強磁性層２０Ｂまで延びており、チャンネル層１０の厚み方向から見て、矩形状をなしている。チャンネル層１０に流れる電流及びスピン流は、主にＸ軸方向に流れる構造となっている。チャンネル層１０には、導電性を付与するためのイオンが添加されていても良い。イオン濃度は、例えば１．０×１０１５〜１．０×１０２２ｃｍ−３とすることができる。チャンネル層１０は、スピン寿命の長い材料であることが好ましく、Ｓｉで構成されている。また、チャンネル層１０における第一強磁性層２０Ａから第二強磁性層２０Ｂまでの距離は、チャンネル層１０のスピン拡散長以下であることが好ましい。
【００２４】
第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂは、チャンネル層１０へスピンを注入するための注入電極、あるいはチャンネル層１０を伝導してきたスピンを検出するための受け取り電極として機能する。第一強磁性層２０Ａは、チャンネル層１０の第一領域１１上に設けられている。第二強磁性層２０Ｂは、チャンネル層１０の第二領域１２上に設けられている。
【００２５】
第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂは、それぞれＹ軸方向を長軸とした直方体形状を有しており、Ｙ軸方向とＸ軸方向のアスペクト比の違いによって反転磁場の差をつけている。第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０ＢのＹ軸方向に関する幅は、同一とすることができ、Ｘ軸方向の幅が異なることで第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂの保磁力に違いを持たせることができる。図１に示すように、第一強磁性層２０Ａの磁化方向Ｇ１は、例えば第二強磁性層２０Ｂの磁化方向Ｇ２と同一にすることができる。この場合、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂの磁化固定を容易に行える。
【００２６】
第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂは、強磁性材料からなる。第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂの材料は、例えば、ＴｂＦｅＣｏ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｄ、ＭｎＡｌ、ＣｒＣｏであり、その他の材料として、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｔｂからなる群から選択される金属、前記群の元素を１以上含む合金、又は、前記群から選択される１以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群から選択される１以上の元素とを含む化合物とすることができる。
【００２７】
磁気センサー１は、更に、第一参照電極３０Ａと第二参照電極３０Ｂとを備えている。第一参照電極３０Ａは、チャンネル層１０の第三領域１３上に設けられている。第二参照電極３０Ｂは、チャンネル層１０の第四領域１４上に設けられている。また、チャンネル層１０は、第一強磁性層２０Ａから第二強磁性層２０Ｂまで延びる方向とは異なる方向に、第一強磁性層２０Ａから第一参照電極３０Ａまで延びており、チャンネル層１０は、第二強磁性層２０Ｂから第一強磁性層２０Ａまで延びる方向とは異なる方向に、第二強磁性層２０Ｂから第二参照電極３０Ｂまで延びている。第一参照電極３０Ａ及び第二参照電極３０Ｂは、導電性材料からなり、例えばＡｌなどのＳｉに対して低抵抗な非磁性金属からなる。
【００２８】
第三領域１３と第四領域１４との間に、第一領域１１及び第二領域１２が存在している。チャンネル層１０上には、第一参照電極３０Ａ、第一強磁性層２０Ａ、第二強磁性層２０Ｂ、及び第二参照電極３０Ｂが、Ｘ軸方向に所定の間隔を置いて、この順に配置されている。
【００２９】
磁気センサー１は、更に、トンネル層２２Ａ、２２Ｂを備えている。トンネル層２２Ａ、２２Ｂは、チャンネル層１０と、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂとの間にそれぞれ設けられている。これにより、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂからチャンネル層１０へスピン偏極した電子を高効率に注入することが可能となり、磁気センサー１の電位出力を高めることが可能となる。
【００３０】
トンネル層２２Ａ、２２Ｂは、絶縁性材料の膜からなるトンネル障壁であり、ＢａＯで構成されている。トンネル層２２Ａ、２２Ｂの膜厚は、抵抗の増大を抑制し、トンネル絶縁層として機能させる観点から２．５ｎｍ以下であることが好ましく、ＢａＯが膜として形成できる膜厚である１．０ｎｍ以上であることが好ましい。
【００３１】
磁気センサー１は、更に、絶縁膜（あるいは絶縁体）を備えている。絶縁膜は、チャンネル層１０の露出を防ぎ、チャンネル層１０を電気的及び磁気的に絶縁する機能を有する。絶縁膜は、チャンネル層１０の表面（例えば下面、側面、または上面）の必要な領域を覆っていることが好ましい。絶縁膜１０ａが、チャンネル層１０の下面に設けられており、絶縁膜１０ｂが、チャンネル層１０の上面上に設けられている。
【００３２】
具体的に、絶縁膜１０ｂは、チャンネル層１０の第一領域１１と第二領域１２との間に存在する領域の上面、チャンネル層１０の第一領域１１と第三領域１３との間に存在する領域の上面、第二領域１２と第四領域１４との間に存在する領域の上面上に設けられている。この絶縁膜１０ｂ上に、第一参照電極３０Ａ、第一強磁性層２０Ａ、第二強磁性層２０Ｂ、及び第二参照電極３０Ｂに接続する配線を設ければ、この配線によってチャンネル層１０のスピンが吸収されることを抑制できる。また、絶縁膜１０ｂ上に配線を設けることにより、配線からチャンネル層１０へ電流が流れることも抑制できる。
【００３３】
続いて、磁気センサー１を作製する手順について、その一例を説明する。
【００３４】
まず、予め準備したＳＯＩ基板（Ｓｉ１００ｎｍ／ＳｉＯｘ２００ｎｍ／Ｓｉ基板）に、アライメントマークを形成する。アライメントマークを目印として、基板上において、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法によって、絶縁膜１０ａを形成する。
【００３５】
続いて、例えばＭＢＥ法によって、絶縁膜１０ａ上にチャンネル層１０を形成する。チャンネル層１０に、導電性を付与するためのイオンを注入して、チャンネル層１０の伝導特性を調節する。その後、９００℃の温度で熱アニールによってイオンを拡散させる。次いで、ＲＣＡ洗浄により、チャンネル層１０の表面の付着物、有機物、及び酸化膜の除去し、その後、ＨＦ洗浄液を用いて表面を水素で終端させた。
【００３６】
その後、基板をＭＢＥ装置（ベース真空度:２．０×１０−９Ｔｏｒｒ以下）に搬入した後、基板加熱によるフラッシング処理により基板表面の水素を脱離させ、清浄表面を形成した。堆積時の真空度は５×１０−８Ｔｏｒｒ以下であり、ＢａＯ、Ｆｅの順に成膜を行う。すなわち、チャンネル層１０上に、トンネル層２２Ａ、２２ＢとなるＢａＯ膜と、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０ＢとなるＦｅ膜（強磁性膜）とをこの順に形成する。その結果、チャンネル層１０とトンネル層２２Ａ、２２Ｂとの界面の少なくとも一部が格子整合する。
【００３７】
次いで、これらのＢａＯ膜及び強磁性膜を例えば電子ビーム（ＥＢ）法にて、マスクを用いて加工する。たとえば、特開２０１０−１９９３２０号公報に開示されているように、マスクを用いて、イオンミリングあるいは化学的なエッチングによりチャンネル層１０を形成する。さらに、チャンネル層１０の上のＢａＯ膜及び強磁性膜を、例えば電子ビーム（ＥＢ）法にて形成する。これをさらにイオンミリングあるいは化学的エッチングにより、チャンネル層１０の第一領域１１上に、トンネル層２２Ａを介して第一強磁性層２０Ａが形成され、チャンネル層１０の第二領域１２上に、トンネル層２２Ｂを介して第二強磁性層２０Ｂが形成される。なお、必要に応じて、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂ上に、例えばＭＢＥ法によって、さらに反強磁性層を形成してもよい。そして、第一強磁性層２０Ａまたは第二強磁性層２０Ｂの磁化方向を固定するために、磁場下でのアニールを行う。その後、例えばイオンミリングによって、チャンネル層１０上に形成された不要なトンネル膜や強磁性膜を除去する。
【００３８】
次いで、不要な障壁膜や強磁性膜が除去されたチャンネル層１０上に絶縁膜１０ｂを形成する。また、チャンネル層１０の第三領域１３及び第四領域１４上の絶縁膜１０ｂを除去し、第一参照電極３０Ａ及び第二参照電極３０Ｂをそれぞれ形成する。
【００３９】
以下、磁気センサー１の作用効果を説明する。
【００４０】
まず、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂの磁化方向を固定する。図１に示す例では、第一強磁性層２０Ａの磁化方向Ｇ１は、第二強磁性層２０Ｂの磁化方向Ｇ２と同一方向（Ｙ軸方向）に固定している。
【００４１】
例えば第一強磁性層２０Ａ及び第一参照電極３０Ａを電流源に接続することにより、第一強磁性層２０Ａに検出用電流を流すことができる。非磁性のチャンネル層１０からトンネル層２２Ａを介して、強磁性体である第一強磁性層２０Ａへ電流が流れることにより、第一強磁性層２０Ａの磁化の向きＧ１に対応する向きのスピンを有する電子がチャンネル層１０へ注入される。注入されたスピンは第二強磁性層２０Ｂ側へ拡散していく。このように、チャンネル層２０に流れる電流及びスピン流が、主にＸ軸方向に流れる構造とすることができる。
【００４２】
ここで、チャンネル層１０に外部磁場を印加しないとき、すなわち外部磁場がゼロのとき、チャンネル層１０の第一領域１１と第二領域１２との間の領域を拡散するスピンの向きは回転しない。よって、予め設定された第二強磁性層２０Ｂの磁化の向きＧ２と同一方向のスピンが第二領域１２まで拡散してくることとなる。従って、外部磁場がゼロのとき、抵抗出力あるいは電圧出力が極値となる。なお、電流や磁化の向きで極大値あるいは極小値をとりうる。出力は、第二強磁性層２０Ｂ及び第二参照電極３０Ｂに接続した電圧測定器などの出力測定器により評価することができる。
【００４３】
対して、チャンネル層１０へ外部磁場を印加する場合を考える。なお、図１の例では、外部磁場はＺ軸方向から印加する。外部磁場を印加すると、チャンネル層１０内を拡散してきたスピンの向きは、外部磁場の軸方向（Ｚ軸方向）を中心として回転する（いわゆるＨａｎｌｅ効果）。このスピンがチャンネル層１０の第二領域１２まで拡散してきたときの回転の向きと、予め設定された第二強磁性層２０Ｂの磁化の向きＧ２、すなわちスピンと、の相対角により、チャンネル層１０と第二強磁性層２０Ｂの界面の電圧出力や抵抗出力が決定される。外部磁場を印加する場合、チャンネル層１０を拡散するスピンの向きは回転するので、第二強磁性層２０Ｂの磁化の向きＧ２と向きが揃わない。よって、抵抗出力あるいは電圧出力は、外部磁場がゼロのときに極大値をとる場合、外部磁場を印加するときには極大値以下となり、外部磁場がゼロのときに極小値をとる場合、外部磁場を印加すると極小値以上となる。
【００４４】
従って、外部磁場がゼロのときに出力のピークが現れ、外部磁場を増加または減少させると、出力が減少していく。つまり、外部磁場の有無によって出力が変化するので、本実施形態に係る磁気センサー１を磁気検出素子として使用できる。
【００４５】
なお、磁気センサー１では、上述のように外部磁場がゼロで出力のピークが出る。よって、例えば磁気ヘッドなどに磁気センサー１を適用して、外部磁場の正負のタイミングを読み取る場合、磁壁の磁場がキャンセルするゼロのところで出力ピークがでるので、ここで反転したと判断することができる。また、磁気センサー１ではヒステリシスがないことも特徴である。
【００４６】
以上で説明したとおり、磁気センサー１におけるトンネル層２２Ａ、２２ＢはＢａＯで構成されているために、以下に示すような効果を奏する。
【００４７】
すなわち、トンネル層２２Ａ、２２Ｂを構成するＢａＯの格子定数（５．５２６３Å）が、従来用いられているＭｇＯの格子定数に比べて、シリコンの格子定数（５．４３０９Å）に極めて近い。このように、トンネル材料としてＢａＯを採用し、シリコンとトンネル材料との間の格子定数の差を従来材料に比べて低減することで、スピン注入の温度依存性が緩和されることを新たに見いだした。
【００４８】
ここで、図３は、トンネル材料としてＢａＯを用いたときのスピン流のＨａｎｌｅ効果を、８Ｋで評価したグラフであり、図４は、トンネル材料として従来のＭｇＯを用いたときのスピン流のＨａｎｌｅ効果を、８Ｋで評価したグラフである。
【００４９】
図３及び図４のグラフには、ノイズに若干の違いが観測されているものの、ほぼ同様の評価結果が得られている。得られた結果を、公知の手法（たとえば非特許文献７に開示された手法）を用いて解析を行い、スピン伝導を特徴づけるパラメータを温度変化に対してプロットすると、図５及び図６のグラフが得られる。図５は、スピンの注入効率の温度依存性を示した図である。なお、スピン注入効率は、図３及び図４の解析結果を用いて見積もった値である。図６は、８Ｋを基準としてスピン注入効率の温度依存性の比を表したグラフである。
【００５０】
図５及び図６の温度依存性を示すグラフから、低温域でのスピン注入効率に関してはトンネル材料にＭｇＯを用いたほうが高い特性を示すことがわかる。しかしながら、トンネル材料にＭｇＯを用いると、高温域でスピン注入効率が著しく低下してしまう。一方、トンネル材料にＢａＯを用いた場合、ＭｇＯのような高温域でのスピン注入効率の著しい低下は生じず、低温域から高温域まで緩やかに低下し、トンネル材料にＢａＯを用いたほうがスピン注入効率の温度依存性は緩やかであることがわかる。すなわち、ＢａＯトンネル材料を用いるほうが、高温域でもスピン注入効率がある程度維持されるため、ＭｇＯトンネル材料よりも、実際のデバイスとしては有用であると言える。
【００５１】
ＭｇＯトンネル材料に比べてＢａＯトンネル材料のほうが、温度依存性が緩やかであることについては、Ｓｉに対する格子定数の違いが影響しているものと思われる。上述したように、Ｓｉに対して格子定数はＢａＯのほうが近い値を示している。一般的にエピタキシャル成長した界面において格子定数の差（格子不整合）が生じることにより、スピンの注入効率の減少の原因となることが知られている。
【００５２】
なお、Ｘ線回折測定から、結晶化を示唆する反射強度が得られないことから、上述した製造工程では、トンネル層は結晶化していないものと思われる。しかしながら、スピンの散乱に最も寄与するトンネル層とＳｉの界面では仮にトンネル膜が結晶化していなくても格子定数の違いによる影響があるものと思われる。
【００５３】
本発明の磁気センサー１は、磁気ヘッドやスピントランジスタ、メモリ、センサ、論理回路等に適用することができる。なお、磁気ヘッドに最適化する場合には、外部磁場は図１のＹ軸方向から入射される場合が好ましく、この場合、図７に示す磁気センサー１Ａのように、強磁性層２０Ａ、２０ＢはＸ軸（あるいはＺ軸）に固定される。強磁性層２０Ａ、２０Ｂの磁化方向の固定方法は、反強磁性膜で磁化方向をＸ方向に固定するか、あるいは、Ｚ方向に磁気異方性を持つ垂直磁化膜が好ましい。
【００５４】
図８は、薄膜磁気記録再生ヘッドである磁気ヘッド１００Ａを示す概略断面図である。上述した図７の磁気センサー１Ａを磁気ヘッド１００Ａの読取ヘッド部１００ａに適用することができる。磁気ヘッド１００Ａは、そのエアベアリング面（ＡｉｒＢｅａｒｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ：媒体対向面）ＡＢＳが磁気記録媒体１２０の記録面１２０ａに対向配置されるような位置で磁気情報の記録及び読み取り動作を行う。上述の磁気センサー１Ａのチャンネル層１０の前端面（図７におけるチャンネル層１０の紙面手前側の面）が、このエアベアリング面ＡＢＳに対応するように配置されることとなる。
【００５５】
磁気記録媒体１２０は、記録面１２０ａを有する記録層１２０ｂと、記録層１２０ｂに積層される軟磁性の裏打ち層１２０ｃとを含んで構成されており、図８のＺ軸方向で示す方向に、磁気ヘッド１００Ａに対して相対的に進行する。磁気ヘッド１００Ａは、磁気記録媒体１２０から記録を読み取る読取ヘッド部１００ａの他に、磁気記録媒体１２０への記録を行う記録ヘッド部１００ｂを備える。読取ヘッド部１００ａ及び記録ヘッド部１００ｂは、基板１０１上に設けられており、アルミナ等の非磁性絶縁層により覆われている。
【００５６】
図８に示すように、読取ヘッド部１００ａの上に、書き込み用の記録ヘッド部１００ｂが設けられている。記録ヘッド部１００ｂにおいて、リターンヨーク１３０上にコンタクト部１３２及び主磁極１３３が設けられており、これらが磁束のパスを形成している。コンタクト部１３２を取り囲むように薄膜コイル１３１が設けられており、薄膜コイル１３１に記録電流を流すと主磁極１３３の先端から磁束が放出され、ハードディスク等の磁気記録媒体１２０の記録層１２０ｂに情報を記録することができる。以上のように、本発明の磁気センサー１を用いて、記録媒体などの微小な領域から磁束を検出可能な磁気ヘッド１００Ａを提供できる。
【００５７】
なお、本発明は上述した実施形態に限らず、様々な変形が可能である。たとえば、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂの部分における電極構造は、図９に示すようなシンセティック膜により磁化される積層構造とすることが可能である。図９の積層構造は、Ｓｉ上に、ＢａＯ（膜厚１．２ｎｍ）、Ｆｅ（膜厚１０ｎｍ）、Ｒｕ（膜厚１．５ｎｍ）、Ｔａ（膜厚１ｎｍ）が順次成膜された構造であり、チャンネル層１０、トンネル層２２Ａ、２２Ｂ、強磁性層２０Ａ、２０Ｂ、保護膜層２４、Ｒｕ層２６、強磁性層２８に相当する。
【００５８】
また、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂの磁化方向は、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂ上に設けられた反強磁性層または形状異方性により、固定されていても良い。例えば、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂにおいて、Ｘ軸方向とＹ軸方向のアスペクト比の違いによって、反転磁場の差を付ける。あるいは、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂに、磁化の向きを固定するための反強磁性層を備えても良い。この場合、反強磁性層を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する第一強磁性層２０Ａあるいは第二強磁性層２０Ｂが得られる。
【符号の説明】
【００５９】
１、１Ａ…磁気センサー、１０…チャンネル層、２０Ａ、２０Ｂ…強磁性層、２２Ａ、２２Ｂ…トンネル層、３０Ａ、３０Ｂ…参照電極、１００Ａ…磁気ヘッド。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン伝導素子及び磁気ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、半導体におけるスピン伝導の現象が多くの注目を集めている。特にシリコンは現在の主な半導体製品の中心となる材料であり、シリコンベースのスピントロニクスが実現できれば、既存技術を捨てることなく、シリコンデバイスに新しい機能を付加することができる。
【０００３】
例えば、下記特許文献１に開示されているｓｐｉｎ−ＭＯＳＦＥＴが挙げられる。最近になって、下記非特許文献１において、シリコンにおける室温でのスピン伝導現象も証明されており、応用に向けた動きが始まっている。最近まで室温におけるスピン伝導現象が観測されなかった理由の一つが、シリコンへのスピン注入効率の温度依存性が温度の上昇と共に急激に減少することが原因の一つであった（下記非特許文献２、３参照）。物理的にはシリコンとトンネル材料の界面におけるスピン散乱が大きな原因と予測されるが、これまでの原因の特定には至っていない。
【０００４】
なお、スピン注入のためにシリコン上に形成するトンネル層の材料（トンネル材料）として、Ａｌ２Ｏ３（非特許文献４）、ＳｉＯ２（非特許文献５）、ＭｇＯ（非特許文献６）が従来より知られており、いずれもスピントロニクスにおいて代表的な物質である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１１１９０４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】T.Suzuki et. al., Applied Physics Express 4 (2011), 023003
【非特許文献２】T.Sasaki et. al., Applied Physics Letter 96(2010), 122101
【非特許文献３】T.Sasaki et. al., Applied Physics Letter 98(2011), 012508
【非特許文献４】Erveet. al., Applied Physics Letter 91(2007), 212109
【非特許文献５】C. H.Li et. al., Applied Physics Letter 95(2009), 172102
【非特許文献６】T.Sasaki et. al., Applied Physics Express 2 (2009), 053003
【非特許文献７】F. J.Jedema Nature London 416(2002), 713
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したいずれのトンネル材料もアモルファスが安定状態であるが、シリコンに対して格子定数が９％以上異なるかアモルファス膜となるため、シリコン上にエピタキシャル成長しにくい。もし仮に、エピタキシャル成長が実現できたとしても、格子定数の差が大きいために、成長界面付近で格子の不整合を形成して準安定状態を形成する必要がある。このような場合には、格子の不整合が生じている部分でスピンが散乱され、効率よくスピン注入されない虞がある。特に、高温下において、スピン注入効率が著しく低下する虞がある。
【０００８】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、高温域におけるスピン注入効率の低下が抑制されたスピン伝導素子及び磁気ヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
高温域におけるスピン注入の低下抑制を実現するために、発明者らはシリコンとトンネル材料との間の格子定数の違いに着目した。この格子定数の違いによる格子不整合を取り除くためには、シリコンと格子定数が近いトンネル材料を選択する必要がある。シリコンと格子定数が近く、シリコン上にエピタキシャル成長する物質は多く知られているが、上述した問題を解決するためにはさらに、スピンがトンネルしやすい材料を選択する必要がある。
【００１０】
そこで、発明者らは、Ｓｉで構成されるチャンネル層と、チャンネル層上に形成された強磁性層と、チャンネル層と強磁性層との間に介在するように形成され、ＢａＯで構成されるトンネル層とを備える構造のスピン伝導素子を新たに見いだした。
【００１１】
ここで、ＢａＯの結晶構造は、従来のＭｇＯの結晶構造と同一であり、高効率のスピントンネル現象を生じさせるコヒーレントトンネルを実現することができる。さらに、ＢａＯは、ＭｇＯと同じアルカリ土類物質で構成された酸化物である。
【００１２】
そして、シリコンの格子定数は５．４３０９Åであり、ＢａＯの格子定数は５．５２６３Åである。シリコンの格子定数に対して、ＢａＯの格子定数は１．８％の差（不整合率）があり、この値は、シリコンとＭｇＯの格子定数の差と比較して１／５程度である。
【００１３】
このように、トンネル材料としてＢａＯを採用し、シリコンとトンネル材料との間の格子定数の差を従来材料に比べて低減することで、高温域におけるスピン注入効率の低下が抑制されることを発明者らは鋭意研究の末に見いだした。
【００１４】
また、チャンネル層とトンネル層との界面の少なくとも一部が格子整合している態様であってもよい。
【００１５】
さらに、トンネル層の膜厚が１．０〜２．５ｎｍである態様であってもよい。
【００１６】
また、強磁性層が単磁区化されている態様であってもよく、強磁性層は、形状異方性により磁化の方位が固定されている態様や、反強磁性膜で磁化の方位が固定されている態様、シンセティック膜によって磁化の方位が固定されている態様であってもよい。
【００１７】
また、強磁性層の材料は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｔｂからなる群から選択される金属、前記群の元素を１以上含む合金、又は、前記群から選択される１以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群から選択される１以上の元素とを含む化合物である態様であってもよい。
【００１８】
なお、本発明のスピン伝導素子は、磁気ヘッド、スピントランジスタ、メモリ、センサ、論理回路等に適用することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、高温域におけるスピン注入効率の低下が抑制されたスピン伝導素子及び磁気ヘッドが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る磁気センサーの概略断面図である。
【図２】図２は、図１に示す磁気センサーの電極部分の部分拡大図である。
【図３】図３は、図１に示す磁気センサーのＨａｎｌｅ効果を示したグラフである。
【図４】図４は、従来技術に係る磁気センサーのＨａｎｌｅ効果を示したグラフである。
【図５】図５は、スピン注入効率の温度依存性を示したグラフである。
【図６】図６は、８Ｋで規格化したスピン注入効率の温度依存性を示したグラフである。
【図７】図７は、図１とは異なる態様の磁気センサーの概略断面図である。
【図８】図８は、図７に示す磁気センサーを含む磁気ヘッドを示した概略断面図である。
【図９】図９は、図２とは異なる態様の電極部分の部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２２】
図１に示すように、スピン伝導素子の一つである磁気センサー１は、チャンネル層１０と、第一強磁性層２０Ａと、第二強磁性層２０Ｂとを有し、Ｚ軸方向の外部磁界を検出するものである。
【００２３】
チャンネル層１０は、第一強磁性層２０Ａから第二強磁性層２０Ｂまで延びており、チャンネル層１０の厚み方向から見て、矩形状をなしている。チャンネル層１０に流れる電流及びスピン流は、主にＸ軸方向に流れる構造となっている。チャンネル層１０には、導電性を付与するためのイオンが添加されていても良い。イオン濃度は、例えば１．０×１０１５〜１．０×１０２２ｃｍ−３とすることができる。チャンネル層１０は、スピン寿命の長い材料であることが好ましく、Ｓｉで構成されている。また、チャンネル層１０における第一強磁性層２０Ａから第二強磁性層２０Ｂまでの距離は、チャンネル層１０のスピン拡散長以下であることが好ましい。
【００２４】
第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂは、チャンネル層１０へスピンを注入するための注入電極、あるいはチャンネル層１０を伝導してきたスピンを検出するための受け取り電極として機能する。第一強磁性層２０Ａは、チャンネル層１０の第一領域１１上に設けられている。第二強磁性層２０Ｂは、チャンネル層１０の第二領域１２上に設けられている。
【００２５】
第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂは、それぞれＹ軸方向を長軸とした直方体形状を有しており、Ｙ軸方向とＸ軸方向のアスペクト比の違いによって反転磁場の差をつけている。第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０ＢのＹ軸方向に関する幅は、同一とすることができ、Ｘ軸方向の幅が異なることで第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂの保磁力に違いを持たせることができる。図１に示すように、第一強磁性層２０Ａの磁化方向Ｇ１は、例えば第二強磁性層２０Ｂの磁化方向Ｇ２と同一にすることができる。この場合、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂの磁化固定を容易に行える。
【００２６】
第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂは、強磁性材料からなる。第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂの材料は、例えば、ＴｂＦｅＣｏ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｄ、ＭｎＡｌ、ＣｒＣｏであり、その他の材料として、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｔｂからなる群から選択される金属、前記群の元素を１以上含む合金、又は、前記群から選択される１以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群から選択される１以上の元素とを含む化合物とすることができる。
【００２７】
磁気センサー１は、更に、第一参照電極３０Ａと第二参照電極３０Ｂとを備えている。第一参照電極３０Ａは、チャンネル層１０の第三領域１３上に設けられている。第二参照電極３０Ｂは、チャンネル層１０の第四領域１４上に設けられている。また、チャンネル層１０は、第一強磁性層２０Ａから第二強磁性層２０Ｂまで延びる方向とは異なる方向に、第一強磁性層２０Ａから第一参照電極３０Ａまで延びており、チャンネル層１０は、第二強磁性層２０Ｂから第一強磁性層２０Ａまで延びる方向とは異なる方向に、第二強磁性層２０Ｂから第二参照電極３０Ｂまで延びている。第一参照電極３０Ａ及び第二参照電極３０Ｂは、導電性材料からなり、例えばＡｌなどのＳｉに対して低抵抗な非磁性金属からなる。
【００２８】
第三領域１３と第四領域１４との間に、第一領域１１及び第二領域１２が存在している。チャンネル層１０上には、第一参照電極３０Ａ、第一強磁性層２０Ａ、第二強磁性層２０Ｂ、及び第二参照電極３０Ｂが、Ｘ軸方向に所定の間隔を置いて、この順に配置されている。
【００２９】
磁気センサー１は、更に、トンネル層２２Ａ、２２Ｂを備えている。トンネル層２２Ａ、２２Ｂは、チャンネル層１０と、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂとの間にそれぞれ設けられている。これにより、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂからチャンネル層１０へスピン偏極した電子を高効率に注入することが可能となり、磁気センサー１の電位出力を高めることが可能となる。
【００３０】
トンネル層２２Ａ、２２Ｂは、絶縁性材料の膜からなるトンネル障壁であり、ＢａＯで構成されている。トンネル層２２Ａ、２２Ｂの膜厚は、抵抗の増大を抑制し、トンネル絶縁層として機能させる観点から２．５ｎｍ以下であることが好ましく、ＢａＯが膜として形成できる膜厚である１．０ｎｍ以上であることが好ましい。
【００３１】
磁気センサー１は、更に、絶縁膜（あるいは絶縁体）を備えている。絶縁膜は、チャンネル層１０の露出を防ぎ、チャンネル層１０を電気的及び磁気的に絶縁する機能を有する。絶縁膜は、チャンネル層１０の表面（例えば下面、側面、または上面）の必要な領域を覆っていることが好ましい。絶縁膜１０ａが、チャンネル層１０の下面に設けられており、絶縁膜１０ｂが、チャンネル層１０の上面上に設けられている。
【００３２】
具体的に、絶縁膜１０ｂは、チャンネル層１０の第一領域１１と第二領域１２との間に存在する領域の上面、チャンネル層１０の第一領域１１と第三領域１３との間に存在する領域の上面、第二領域１２と第四領域１４との間に存在する領域の上面上に設けられている。この絶縁膜１０ｂ上に、第一参照電極３０Ａ、第一強磁性層２０Ａ、第二強磁性層２０Ｂ、及び第二参照電極３０Ｂに接続する配線を設ければ、この配線によってチャンネル層１０のスピンが吸収されることを抑制できる。また、絶縁膜１０ｂ上に配線を設けることにより、配線からチャンネル層１０へ電流が流れることも抑制できる。
【００３３】
続いて、磁気センサー１を作製する手順について、その一例を説明する。
【００３４】
まず、予め準備したＳＯＩ基板（Ｓｉ１００ｎｍ／ＳｉＯｘ２００ｎｍ／Ｓｉ基板）に、アライメントマークを形成する。アライメントマークを目印として、基板上において、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法によって、絶縁膜１０ａを形成する。
【００３５】
続いて、例えばＭＢＥ法によって、絶縁膜１０ａ上にチャンネル層１０を形成する。チャンネル層１０に、導電性を付与するためのイオンを注入して、チャンネル層１０の伝導特性を調節する。その後、９００℃の温度で熱アニールによってイオンを拡散させる。次いで、ＲＣＡ洗浄により、チャンネル層１０の表面の付着物、有機物、及び酸化膜の除去し、その後、ＨＦ洗浄液を用いて表面を水素で終端させた。
【００３６】
その後、基板をＭＢＥ装置（ベース真空度:２．０×１０−９Ｔｏｒｒ以下）に搬入した後、基板加熱によるフラッシング処理により基板表面の水素を脱離させ、清浄表面を形成した。堆積時の真空度は５×１０−８Ｔｏｒｒ以下であり、ＢａＯ、Ｆｅの順に成膜を行う。すなわち、チャンネル層１０上に、トンネル層２２Ａ、２２ＢとなるＢａＯ膜と、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０ＢとなるＦｅ膜（強磁性膜）とをこの順に形成する。その結果、チャンネル層１０とトンネル層２２Ａ、２２Ｂとの界面の少なくとも一部が格子整合する。
【００３７】
次いで、これらのＢａＯ膜及び強磁性膜を例えば電子ビーム（ＥＢ）法にて、マスクを用いて加工する。たとえば、特開２０１０−１９９３２０号公報に開示されているように、マスクを用いて、イオンミリングあるいは化学的なエッチングによりチャンネル層１０を形成する。さらに、チャンネル層１０の上のＢａＯ膜及び強磁性膜を、例えば電子ビーム（ＥＢ）法にて形成する。これをさらにイオンミリングあるいは化学的エッチングにより、チャンネル層１０の第一領域１１上に、トンネル層２２Ａを介して第一強磁性層２０Ａが形成され、チャンネル層１０の第二領域１２上に、トンネル層２２Ｂを介して第二強磁性層２０Ｂが形成される。なお、必要に応じて、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂ上に、例えばＭＢＥ法によって、さらに反強磁性層を形成してもよい。そして、第一強磁性層２０Ａまたは第二強磁性層２０Ｂの磁化方向を固定するために、磁場下でのアニールを行う。その後、例えばイオンミリングによって、チャンネル層１０上に形成された不要なトンネル膜や強磁性膜を除去する。
【００３８】
次いで、不要な障壁膜や強磁性膜が除去されたチャンネル層１０上に絶縁膜１０ｂを形成する。また、チャンネル層１０の第三領域１３及び第四領域１４上の絶縁膜１０ｂを除去し、第一参照電極３０Ａ及び第二参照電極３０Ｂをそれぞれ形成する。
【００３９】
以下、磁気センサー１の作用効果を説明する。
【００４０】
まず、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂの磁化方向を固定する。図１に示す例では、第一強磁性層２０Ａの磁化方向Ｇ１は、第二強磁性層２０Ｂの磁化方向Ｇ２と同一方向（Ｙ軸方向）に固定している。
【００４１】
例えば第一強磁性層２０Ａ及び第一参照電極３０Ａを電流源に接続することにより、第一強磁性層２０Ａに検出用電流を流すことができる。非磁性のチャンネル層１０からトンネル層２２Ａを介して、強磁性体である第一強磁性層２０Ａへ電流が流れることにより、第一強磁性層２０Ａの磁化の向きＧ１に対応する向きのスピンを有する電子がチャンネル層１０へ注入される。注入されたスピンは第二強磁性層２０Ｂ側へ拡散していく。このように、チャンネル層２０に流れる電流及びスピン流が、主にＸ軸方向に流れる構造とすることができる。
【００４２】
ここで、チャンネル層１０に外部磁場を印加しないとき、すなわち外部磁場がゼロのとき、チャンネル層１０の第一領域１１と第二領域１２との間の領域を拡散するスピンの向きは回転しない。よって、予め設定された第二強磁性層２０Ｂの磁化の向きＧ２と同一方向のスピンが第二領域１２まで拡散してくることとなる。従って、外部磁場がゼロのとき、抵抗出力あるいは電圧出力が極値となる。なお、電流や磁化の向きで極大値あるいは極小値をとりうる。出力は、第二強磁性層２０Ｂ及び第二参照電極３０Ｂに接続した電圧測定器などの出力測定器により評価することができる。
【００４３】
対して、チャンネル層１０へ外部磁場を印加する場合を考える。なお、図１の例では、外部磁場はＺ軸方向から印加する。外部磁場を印加すると、チャンネル層１０内を拡散してきたスピンの向きは、外部磁場の軸方向（Ｚ軸方向）を中心として回転する（いわゆるＨａｎｌｅ効果）。このスピンがチャンネル層１０の第二領域１２まで拡散してきたときの回転の向きと、予め設定された第二強磁性層２０Ｂの磁化の向きＧ２、すなわちスピンと、の相対角により、チャンネル層１０と第二強磁性層２０Ｂの界面の電圧出力や抵抗出力が決定される。外部磁場を印加する場合、チャンネル層１０を拡散するスピンの向きは回転するので、第二強磁性層２０Ｂの磁化の向きＧ２と向きが揃わない。よって、抵抗出力あるいは電圧出力は、外部磁場がゼロのときに極大値をとる場合、外部磁場を印加するときには極大値以下となり、外部磁場がゼロのときに極小値をとる場合、外部磁場を印加すると極小値以上となる。
【００４４】
従って、外部磁場がゼロのときに出力のピークが現れ、外部磁場を増加または減少させると、出力が減少していく。つまり、外部磁場の有無によって出力が変化するので、本実施形態に係る磁気センサー１を磁気検出素子として使用できる。
【００４５】
なお、磁気センサー１では、上述のように外部磁場がゼロで出力のピークが出る。よって、例えば磁気ヘッドなどに磁気センサー１を適用して、外部磁場の正負のタイミングを読み取る場合、磁壁の磁場がキャンセルするゼロのところで出力ピークがでるので、ここで反転したと判断することができる。また、磁気センサー１ではヒステリシスがないことも特徴である。
【００４６】
以上で説明したとおり、磁気センサー１におけるトンネル層２２Ａ、２２ＢはＢａＯで構成されているために、以下に示すような効果を奏する。
【００４７】
すなわち、トンネル層２２Ａ、２２Ｂを構成するＢａＯの格子定数（５．５２６３Å）が、従来用いられているＭｇＯの格子定数に比べて、シリコンの格子定数（５．４３０９Å）に極めて近い。このように、トンネル材料としてＢａＯを採用し、シリコンとトンネル材料との間の格子定数の差を従来材料に比べて低減することで、スピン注入の温度依存性が緩和されることを新たに見いだした。
【００４８】
ここで、図３は、トンネル材料としてＢａＯを用いたときのスピン流のＨａｎｌｅ効果を、８Ｋで評価したグラフであり、図４は、トンネル材料として従来のＭｇＯを用いたときのスピン流のＨａｎｌｅ効果を、８Ｋで評価したグラフである。
【００４９】
図３及び図４のグラフには、ノイズに若干の違いが観測されているものの、ほぼ同様の評価結果が得られている。得られた結果を、公知の手法（たとえば非特許文献７に開示された手法）を用いて解析を行い、スピン伝導を特徴づけるパラメータを温度変化に対してプロットすると、図５及び図６のグラフが得られる。図５は、スピンの注入効率の温度依存性を示した図である。なお、スピン注入効率は、図３及び図４の解析結果を用いて見積もった値である。図６は、８Ｋを基準としてスピン注入効率の温度依存性の比を表したグラフである。
【００５０】
図５及び図６の温度依存性を示すグラフから、低温域でのスピン注入効率に関してはトンネル材料にＭｇＯを用いたほうが高い特性を示すことがわかる。しかしながら、トンネル材料にＭｇＯを用いると、高温域でスピン注入効率が著しく低下してしまう。一方、トンネル材料にＢａＯを用いた場合、ＭｇＯのような高温域でのスピン注入効率の著しい低下は生じず、低温域から高温域まで緩やかに低下し、トンネル材料にＢａＯを用いたほうがスピン注入効率の温度依存性は緩やかであることがわかる。すなわち、ＢａＯトンネル材料を用いるほうが、高温域でもスピン注入効率がある程度維持されるため、ＭｇＯトンネル材料よりも、実際のデバイスとしては有用であると言える。
【００５１】
ＭｇＯトンネル材料に比べてＢａＯトンネル材料のほうが、温度依存性が緩やかであることについては、Ｓｉに対する格子定数の違いが影響しているものと思われる。上述したように、Ｓｉに対して格子定数はＢａＯのほうが近い値を示している。一般的にエピタキシャル成長した界面において格子定数の差（格子不整合）が生じることにより、スピンの注入効率の減少の原因となることが知られている。
【００５２】
なお、Ｘ線回折測定から、結晶化を示唆する反射強度が得られないことから、上述した製造工程では、トンネル層は結晶化していないものと思われる。しかしながら、スピンの散乱に最も寄与するトンネル層とＳｉの界面では仮にトンネル膜が結晶化していなくても格子定数の違いによる影響があるものと思われる。
【００５３】
本発明の磁気センサー１は、磁気ヘッドやスピントランジスタ、メモリ、センサ、論理回路等に適用することができる。なお、磁気ヘッドに最適化する場合には、外部磁場は図１のＹ軸方向から入射される場合が好ましく、この場合、図７に示す磁気センサー１Ａのように、強磁性層２０Ａ、２０ＢはＸ軸（あるいはＺ軸）に固定される。強磁性層２０Ａ、２０Ｂの磁化方向の固定方法は、反強磁性膜で磁化方向をＸ方向に固定するか、あるいは、Ｚ方向に磁気異方性を持つ垂直磁化膜が好ましい。
【００５４】
図８は、薄膜磁気記録再生ヘッドである磁気ヘッド１００Ａを示す概略断面図である。上述した図７の磁気センサー１Ａを磁気ヘッド１００Ａの読取ヘッド部１００ａに適用することができる。磁気ヘッド１００Ａは、そのエアベアリング面（ＡｉｒＢｅａｒｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ：媒体対向面）ＡＢＳが磁気記録媒体１２０の記録面１２０ａに対向配置されるような位置で磁気情報の記録及び読み取り動作を行う。上述の磁気センサー１Ａのチャンネル層１０の前端面（図７におけるチャンネル層１０の紙面手前側の面）が、このエアベアリング面ＡＢＳに対応するように配置されることとなる。
【００５５】
磁気記録媒体１２０は、記録面１２０ａを有する記録層１２０ｂと、記録層１２０ｂに積層される軟磁性の裏打ち層１２０ｃとを含んで構成されており、図８のＺ軸方向で示す方向に、磁気ヘッド１００Ａに対して相対的に進行する。磁気ヘッド１００Ａは、磁気記録媒体１２０から記録を読み取る読取ヘッド部１００ａの他に、磁気記録媒体１２０への記録を行う記録ヘッド部１００ｂを備える。読取ヘッド部１００ａ及び記録ヘッド部１００ｂは、基板１０１上に設けられており、アルミナ等の非磁性絶縁層により覆われている。
【００５６】
図８に示すように、読取ヘッド部１００ａの上に、書き込み用の記録ヘッド部１００ｂが設けられている。記録ヘッド部１００ｂにおいて、リターンヨーク１３０上にコンタクト部１３２及び主磁極１３３が設けられており、これらが磁束のパスを形成している。コンタクト部１３２を取り囲むように薄膜コイル１３１が設けられており、薄膜コイル１３１に記録電流を流すと主磁極１３３の先端から磁束が放出され、ハードディスク等の磁気記録媒体１２０の記録層１２０ｂに情報を記録することができる。以上のように、本発明の磁気センサー１を用いて、記録媒体などの微小な領域から磁束を検出可能な磁気ヘッド１００Ａを提供できる。
【００５７】
なお、本発明は上述した実施形態に限らず、様々な変形が可能である。たとえば、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂの部分における電極構造は、図９に示すようなシンセティック膜により磁化される積層構造とすることが可能である。図９の積層構造は、Ｓｉ上に、ＢａＯ（膜厚１．２ｎｍ）、Ｆｅ（膜厚１０ｎｍ）、Ｒｕ（膜厚１．５ｎｍ）、Ｔａ（膜厚１ｎｍ）が順次成膜された構造であり、チャンネル層１０、トンネル層２２Ａ、２２Ｂ、強磁性層２０Ａ、２０Ｂ、保護膜層２４、Ｒｕ層２６、強磁性層２８に相当する。
【００５８】
また、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂの磁化方向は、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂ上に設けられた反強磁性層または形状異方性により、固定されていても良い。例えば、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂにおいて、Ｘ軸方向とＹ軸方向のアスペクト比の違いによって、反転磁場の差を付ける。あるいは、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂに、磁化の向きを固定するための反強磁性層を備えても良い。この場合、反強磁性層を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する第一強磁性層２０Ａあるいは第二強磁性層２０Ｂが得られる。
【符号の説明】
【００５９】
１、１Ａ…磁気センサー、１０…チャンネル層、２０Ａ、２０Ｂ…強磁性層、２２Ａ、２２Ｂ…トンネル層、３０Ａ、３０Ｂ…参照電極、１００Ａ…磁気ヘッド。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉで構成されるチャンネル層と、
前記チャンネル層上に形成された強磁性層と、
前記チャンネル層と前記強磁性層との間に介在するように形成され、ＢａＯで構成されるトンネル層と
を備える、スピン伝導素子。
【請求項２】
前記チャンネル層と前記トンネル層との界面の少なくとも一部が格子整合している、請求項１に記載のスピン伝導素子。
【請求項３】
前記トンネル層の膜厚が１．０〜２．５ｎｍである、請求項１または２に記載のスピン伝導素子。
【請求項４】
前記強磁性層が単磁区化されている、請求項１−３のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
【請求項５】
前記強磁性層が形状異方性により磁化の方位が固定されている、請求項４に記載のスピン伝導素子。
【請求項６】
前記強磁性層は反強磁性膜で磁化の方位が固定されている、請求項４に記載のスピン伝導素子。
【請求項７】
前記強磁性層はシンセティック膜によって磁化の方位が固定されている、請求項４に記載のスピン伝導素子。
【請求項８】
前記強磁性層の材料は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｔｂからなる群から選択される金属、前記群の元素を１以上含む合金、又は、前記群から選択される１以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群から選択される１以上の元素とを含む化合物である、請求項１−７のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
【請求項９】
請求項１−８のいずれか一項に記載のスピン伝導素子を備える、磁気ヘッド。
【請求項１】
Ｓｉで構成されるチャンネル層と、
前記チャンネル層上に形成された強磁性層と、
前記チャンネル層と前記強磁性層との間に介在するように形成され、ＢａＯで構成されるトンネル層と
を備える、スピン伝導素子。
【請求項２】
前記チャンネル層と前記トンネル層との界面の少なくとも一部が格子整合している、請求項１に記載のスピン伝導素子。
【請求項３】
前記トンネル層の膜厚が１．０〜２．５ｎｍである、請求項１または２に記載のスピン伝導素子。
【請求項４】
前記強磁性層が単磁区化されている、請求項１−３のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
【請求項５】
前記強磁性層が形状異方性により磁化の方位が固定されている、請求項４に記載のスピン伝導素子。
【請求項６】
前記強磁性層は反強磁性膜で磁化の方位が固定されている、請求項４に記載のスピン伝導素子。
【請求項７】
前記強磁性層はシンセティック膜によって磁化の方位が固定されている、請求項４に記載のスピン伝導素子。
【請求項８】
前記強磁性層の材料は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｔｂからなる群から選択される金属、前記群の元素を１以上含む合金、又は、前記群から選択される１以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群から選択される１以上の元素とを含む化合物である、請求項１−７のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
【請求項９】
請求項１−８のいずれか一項に記載のスピン伝導素子を備える、磁気ヘッド。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１９９４９８（Ｐ２０１２−１９９４９８Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６４２３１（Ｐ２０１１−６４２３１）
【出願日】平成２３年３月２３日（２０１１．３．２３）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２３日（２０１１．３．２３）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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