スピン伝導素子
【課題】 Ｈａｎｌｅ効果を利用可能なスピン伝導素子を提供する。
【解決手段】 電子流源Ｅにより、第１強磁性層１と第１電極４との間に電子流が供給されると、半導体層３内を電子が流れると共に、スピンが拡散する。このスピン流は、第２強磁性層２方向にも流れ、スピンの磁化方向に依存して、第２強磁性層２内に吸収される。スピン伝導素子における第１配線８ａに電流を供給すると、その周囲に磁場Ｂが発生するが、半導体層３Ｃをスピンが走行する領域内において、磁場Ｂが印加されると、磁場Ｂの影響を受けて、スピンの方向が変わる。したがって、この磁場Ｂを制御することで、第２強磁性層２内に吸収されるスピン量を制御することができる。
【解決手段】 電子流源Ｅにより、第１強磁性層１と第１電極４との間に電子流が供給されると、半導体層３内を電子が流れると共に、スピンが拡散する。このスピン流は、第２強磁性層２方向にも流れ、スピンの磁化方向に依存して、第２強磁性層２内に吸収される。スピン伝導素子における第１配線８ａに電流を供給すると、その周囲に磁場Ｂが発生するが、半導体層３Ｃをスピンが走行する領域内において、磁場Ｂが印加されると、磁場Ｂの影響を受けて、スピンの方向が変わる。したがって、この磁場Ｂを制御することで、第２強磁性層２内に吸収されるスピン量を制御することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場を用いたスピン伝導素子に関わるものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、スピン伝導素子に興味が集まっている。従来、スピンの流れ（スピン流）は電流に付随するものと考えられていたため、スピン単独の流れは知られていなかった。電流に付随したスピン流は、一般的に磁気抵抗効果を用いる広範囲の応用製品において利用されている。このような製品には、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）における磁気ヘッド、磁気センサ、或いは磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）などがある。スピン伝導素子とは、従来からある電流に付随したスピン流を利用する素子と、スピン流のみを利用する素子の総称である。
【０００３】
薄膜技術を利用したスピン伝導素子も注目されている。その応用例の一つが、Ｓｐｉｎ-ＭＯＳＦＥＴである（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。その他のスピン流に関する技術は、例えば特許文献４や非特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４１４３６４４号
【特許文献２】特開２００２−２４６４８７号公報
【特許文献３】特開平０９−０９７９０６号公報
【特許文献４】特許第３８１８２７６号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】F.J.Jedema et. al.、「Electrical detection of spin precession in a metallic mesoscopicspin valve」、Nature 416, 713、(2002)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、スピンの走行距離が長い場合には、外部磁場によりスピンの向きが影響を受け易くなる。このような場合、外部磁場が非常に弱い場合であっても、スピンが回転することとなり、スピンの向きに依存する正確な磁化情報は、伝達中に改変されることになる。スピンが伝達の初期段階において有する磁化情報は、スピンが初期段階に通過する強磁性体の磁化方向に依存する。伝達中に磁化情報が改変されると、これを収集した場合に、正確な情報は減少し、ノイズ情報は増加することになる。一般に、ノイズ情報の増加は、好ましいことではない。
【０００７】
その一方で、磁化情報が改変してしまうという悪性を積極的に利用できれば、新しい技術となる可能性があるが、磁化情報の改変という現象、すなわち「Ｈａｎｌｅ効果」を積極的に利用することは不可能であると思われた。これは情報を書き換えるための「Ｈａｎｌｅ効果」を誘発させるためにはスピンが伝導する方向及びスピンの磁化方向に垂直な外部磁場が印加される必要がある。外部磁場が垂直方向から大きくずれた場合には外部磁場に対するスピンの回転が不均一になり、正確に情報を書き換えることが困難となる。
【０００８】
本発明は、このような性質を積極的に利用した新しい技術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】
上述の課題を解決するため、本発明に係るスピン伝導素子は、半導体層と、前記半導体層上に第１トンネル障壁層を介して設けられた第１強磁性層と、前記半導体層上に、前記第１強磁性層から離間し、第２トンネル障壁層を介して設けられた第２強磁性層と、電流が供給されることにより、前記半導体層における、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に領域内に、磁場を発生させる第1配線と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
スピン流を利用する場合、第１及び第２強磁性層間を流れるスピン流を、磁場によって制御することで、このスピン伝導素子を、一時的なメモリなどに利用することができる。また、このスピン伝導素子において、磁気抵抗効果を利用する場合、第１及び第２強磁性層間を流れる電流のスピンを磁場によって制御することで、これらの間の磁気抵抗を制御することができ、このスピン伝導素子を、一時的なメモリなどに利用することができる。
【００１１】
また、本発明に係るスピン伝導素子は、前記半導体層上の前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間の領域の外側であって、前記第１強磁性層側に設けられた第１電極と、前記半導体層上の前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間の領域の外側であって、前記第２強磁性層側に設けられた第２電極と、前記第１強磁性層と前記第１電極との間に電子を流す電子流源と、前記第２強磁性層と前記第２電極との間の電圧を測定する電圧測定手段と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
電子流源により、第１強磁性層と第１電極との間に電子流が供給されると、半導体層内を電子が流れるが、第1強磁性層下の第１トンネル障壁層と半導体層の界面からは、スピン流が拡散する。このスピン流は、第２強磁性層方向にも流れ、スピンの磁化方向に依存して、第２トンネル障壁層を介して、第２強磁性層がスピンを感じ、第２強磁性層と第２電極との間には電圧が発生する。この電圧は、電圧測定手段によって検出される。スピン伝導素子における第１配線に電流を供給すると、その周囲に磁場が発生するが、半導体層のスピンが走行する領域内において、磁場が印加されると、磁場の影響を受けて、スピンの方向が変わる。したがって、この磁場を制御することで、第２強磁性層が感じるスピンの電位を制御することができる。したがって、このスピン伝達素子は、スピン伝導を利用した演算回路において、磁場が印加されたときのみ情報を書き換えることができる揮発メモリ、あるいはスピン流のゲート効果の素子として利用することができる。なお、第１及び第２トンネル障壁層は共通層であってもよい。
【００１３】
前記第１強磁性層の磁化方向と前記第２強磁性層の磁化方向とは等しく、前記磁場の方向は、前記第１又は第２強磁性層の磁化方向に対して垂直であることを特徴とする。
【００１４】
この場合、第１強磁性層側から流出するスピンの方向が、配線を流れる電流によって生成された磁場により、走行中に変化し、第２強磁性層に到達した時点では、スピンの向きを大きく変化させることで、第２強磁性層が感じるスピンの電位を変化させることができる。すなわち、走行中のスピンの方向が磁場によって大きく影響を受けるため、磁場による出力制御がより効果的になる。
【００１５】
また、本発明に係るスピン伝導素子は、前記第１配線を囲む第１磁気ヨークを更に備えることを特徴とする。この場合、第１配線の周囲に発生した磁場の磁気線が第１磁気ヨーク内を通ることとなり、第１磁気ヨーク内における磁束密度は高くなるため、効率的に半導体層内に磁場を形成することができる。また、このときヨークの構造により伝導するスピンに対して垂直な磁場が印加されるため効率的なスピンの回転を実現することができる。
【００１６】
また、本発明に係るスピン伝導素子は、前記第１配線と共に前記半導体層を挟む位置に配置され、電流が供給されることにより、前記半導体層における、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に領域内に、磁場を発生させる第２配線を、更に備えることを特徴とする。
【００１７】
この場合、第１配線の周囲に加えて、第２配線の周囲においても、磁場を発生させることができるため、これらの磁場の重畳により、大きな磁場を半導体層内に発生させることができる。したがって、磁場によるスピン方向制御が更に有効になる。
【００１８】
前記第２配線を囲む第２磁気ヨークを更に備えることを特徴とする。この場合、第２配線の周囲に発生した磁場の磁気線が第２磁気ヨーク内を通ることとなり、第２磁気ヨーク内における磁束密度は高くなるため、効率的に半導体層内に磁場を形成することができる。なお、第１及び第２磁気ヨークは、一体的に形成されていてもよい。
【００１９】
前記第１及び第２トンネル障壁層は、絶縁膜又はショットキ障壁から構成されていることを特徴とする。トンネル障壁層は、電子がトンネルする厚みのポテンシャル障壁を構成しており、本例では２ｎｍ以下であることとする。２ｎｍ以下の絶縁膜であれば、電子はこれをトンネルすることができ、ショットキ障壁の場合も、電子がこれをトンネルすることができる。なお、絶縁膜の方が、ショットキ障壁よりも厚みを制御することが容易であるという利点がある。
【００２０】
また、前記絶縁膜は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、又は、ＭｇＡｌ２Ｏ４からなることを特徴とする。これらの材料の場合、スピンの注入及び検出の効率が高いという利点がある。
【００２１】
前記第２強磁性層の保持力は、前記第１強磁性層の保持力よりも大きいことを特徴とする。この場合、第２強磁性層の磁化方向は、第１強磁性層の磁化方向と比較して、動きにくい。したがって、このスピン伝導素子は、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層の磁化方向に対応した不揮発なメモリ素子、あるいは書き換え可能な論理素子に用いることができる。
【００２２】
また、本発明に係るスピン伝導素子においては、前記第２強磁性層に交換結合した反強磁性層を更に備えること、及び／又は、前記第２強磁性層が形状異方性を備えることにより、前記第２強磁性層の磁化方向が固定されていることを特徴とする。これらの手法によれば、第２強磁性層の磁化方向を有効に固定することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によるスピン伝導素子によれば、有効に「Ｈａｎｌｅ効果」を利用することができるため、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層の磁化方向に対応した不揮発なメモリ素子、あるいは書き換え可能な論理素子における揮発なメモリ素子あるいは一時的な書き変えが可能なスピン伝導を利用した演算素子に利用することが可能である。
【００２４】
上記の発明はスピン伝導のみを利用した演算素子に限定されるものではない。スピン伝導と電流の効果である磁気抵抗効果を利用した場合には、前述の前記第１電極及び前記第２電極を削除した構造で、同様のことが実現できる。
【００２５】
磁気抵抗効果を用いる場合、前記第１強磁性層の磁化方向と前記第２強磁性層の磁化方向とは反平行であり、前記磁場の方向は、前記第１又は第２強磁性層の磁化方向に対して垂直であることを特徴とする。この場合、垂直な磁場に対する応答が大きくなり、小さい磁場で大きな変調が可能になるという利点がある。また、スピン流を用いる場合、第１強磁性層の磁化方向と第２強磁性層の磁化方向とを平行にする場合、製造時において、磁場をかけて同時に熱処理を行えばよいので、製造が容易となる。
【００２６】
また、上述のスピン伝導素子は、前記半導体層が中間絶縁層を介して形成される半導体基板と、前記半導体基板にゲート電圧を印加する電圧印加手段と、を備えることを特徴とする。この場合、ゲート電圧によって、第１及び第２強磁性層間を流れるスピン量又は電子量を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】スピン伝導素子の斜視図である。
【図２】スピン伝導素子の平面図である。
【図３】スピン伝導素子のＩＩＩ−ＩＩＩ矢印断面図である。
【図４】スピン伝導素子のＩＶ−ＩＶ矢印断面図である。
【図５】スピン伝導素子（変形例）の断面図である。
【図６】スピン伝導素子（変形例）の断面図である。
【図７】スピン伝導素子の平面図である。
【図８】スピン伝導素子のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ矢印断面図である。
【図９】スピン伝導素子のＩＸ−ＩＸ矢印断面図である。
【図１０】スピン伝導素子の平面図である。
【図１１】スピン伝導素子のＸＩ−ＸＩ矢印断面図である。
【図１２】スピン伝導素子のＸＩＩ−ＸＩＩ矢印断面図である。
【図１３】スピン伝導素子の平面図である。
【図１４】スピン伝導素子のＸＩＶ−ＸＩＶ矢印断面図である。
【図１５】スピン伝導素子のＸＶ−ＸＶ矢印断面図である。
【図１６】スピン伝導素子の平面図である。
【図１７】スピン伝導素子のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ矢印断面図である。
【図１８】スピン伝導素子のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ矢印断面図である。
【図１９】スピン伝導素子の平面図である。
【図２０】スピン伝導素子のＸＸ−ＸＸ矢印断面図である。
【図２１】スピン伝導素子のＸＸＩ−ＸＸＩ矢印断面図である。
【図２２】スピン伝導素子におけるスピンの方向の回転について説明するための図である。
【図２３】強磁性層の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、実施の形態に係るスピン伝導素子について説明する。なお、同一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。
【００２９】
図１は、第１実施形態に係るスピン伝導素子の斜視図であり、図２は、第１実施形態に係るスピン伝導素子の平面図、図３は、スピン伝導素子のＩＩＩ−ＩＩＩ矢印断面図、図４は、スピン伝導素子のＩＶ−ＩＶ矢印断面図である。なお、基板厚み方向をＺ軸とし、これに垂直な２軸をＸ軸及びＹ軸とする三次元直交座標系が設定される。
【００３０】
このスピン伝導素子はＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板３を備えている。ＳＯＩ基板３は、半導体基板３Ａと、中間絶縁層３Ｂと、半導体層３Ｃとを順次積層してなる基板である。半導体基板３Ａ及び半導体層３ＣはＳｉからなり、中間絶縁層３ＢはＡｌ２Ｏ３又はＳｉＯ２からなる。
【００３１】
半導体層３Ｃは、周囲をエッチングすることによって直方体に加工されている。半導体層３Ｃの近傍には磁場発生用の第１配線８ａが配置されている。第１配線８ａは、半導体層３Ｃに併設され、これらの長手方向（Ｘ軸方向）が一致しており、これらは互いに平行に延びている。半導体層３Ｃの周囲は、絶縁膜７ａ，７ｂ，７ｃによって囲まれている。絶縁膜７ａ，７ｂ，７ｃは、本例ではＳｉＯ２からなるが、これはＳｉＮｘ、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３又はＭｇＡｌ２Ｏ４からなることとしてもよい。なお、同図では、半導体層３Ｃの長手方向の両端部には絶縁膜が設けられていないが、これらの両端部の表面を絶縁膜で被覆することとしてもよい。
【００３２】
半導体層３Ｃの側面は絶縁膜７ａ，７ｂで被覆されると共に、上面は絶縁膜７ｃで被覆されている。第１配線８ａは、半導体層３Ｃの側面に絶縁層７ｃを介して設けられている。
【００３３】
また、スピン伝導素子は、図３に示すように、Ｘ軸に沿って順次配置された第１強磁性層１と、第１電極４と、第２強磁性層２と、第２電極５とを備えている。第１強磁性層１は、半導体層３Ｃ上に第１トンネル障壁層７１を介して設けられている。第１電極４は、半導体層３Ｃ上に設けられ、第１強磁性層１の近傍に配置されている。第２強磁性層２は、半導体層３Ｃ上に、第１強磁性層７１から離間し、第２トンネル障壁層７２を介して設けられている。第２電極５は、半導体層３Ｃ上に設けられており、第２強磁性層２の近傍に配置されている。
【００３４】
第１配線８ａは、電流源Ｉから、第１配線８ａに電流ｉが供給されることにより、半導体層３Ｃにおける、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に領域内に、磁場Ｂを発生させるものである。電流源Ｉは、第１配線８ａの両端部に電気的に接続されている。磁場Ｂは、Ｘ軸を囲む方向に発生しているため、半導体層３Ｃの内部においては、この厚み方向に平行に磁束が通っていることになる。
【００３５】
スピン流を利用したスピン伝導素子は、図１に示すように、第１強磁性層１と第１電極４との間に電子eを流す電子流源Ｅと、第２強磁性層２と第２電極５との間の電圧を測定する電圧測定回路（手段）Ｖとを備えている。
【００３６】
電子流源Ｅにより、第１強磁性層１と第１電極４との間に電子流が供給されると、半導体層３Ｃ内を電子が流れる。本例では、第１強磁性層１から第１電極４に電子が流れ（電流の向きは逆）、第１強磁性層１の直下の半導体領域内においてスピンが発生する。すなわち、第1強磁性層１の下の第１トンネル障壁層７１と半導体層３Ｃの界面からは、スピン流が拡散する。このスピン流は、第２強磁性層２方向にも流れ、スピンの磁化方向に依存して、第２トンネル障壁層７２を介して、第２強磁性層２はスピン流が作る電位に応じて、第２強磁性層２と第２電極５との間には電圧が発生する。この電圧は、電圧測定回路Ｖによって検出される。
【００３７】
図２２は、スピン伝導素子におけるスピンの方向の回転について説明するための図である。
【００３８】
スピン伝導素子における第１配線８ａに電流を供給すると、その周囲に磁場Ｂが発生するが、半導体層３Ｃのスピンが走行する領域内において、磁場Ｂが印加されると、磁場の影響を受けて、図２２の矢印によって示されるスピンの方向が変わる。したがって、この磁場を制御することで、第２強磁性層が感じるスピン電位を制御することができる。したがって、このスピン伝達素子は、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層の磁化方向に対応した不揮発なメモリ素子、あるいは書き換え可能な論理素子における揮発なメモリ素子あるいは一時的な書き変えが可能なスピン伝導を利用した演算素子に利用することができる。なお、図３に示した第１トンネル障壁層７１及び第２トンネル障壁層７２は共通層であってもよい。
【００３９】
また、図２に示すように、第１強磁性層１の磁化方向Ｄ１と第２強磁性層２の磁化方向Ｄ２とは等しく、共にＹ軸の正方向を向いており、半導体層３Ｃの位置における磁場Ｂの方向は、第１又は第２強磁性層１，２の磁化方向Ｄ１，Ｄ２に対して垂直である。
【００４０】
この場合、第１強磁性層１側から流出するスピンの方向が、配線８ａを流れる電流によって生成された磁場Ｂにより、半導体層３Ｃの走行中に変化し、第２強磁性層２に到達した時点では、スピンの向きを大きく変化させ、第２強磁性層が感じるスピン電位を変化させることができる(図２２参照)。すなわち、走行中のスピンの方向が磁場Ｂによって大きく影響を受けるため、磁場Ｂによる出力制御がより効果的になる。
【００４１】
第１トンネル障壁層７１及び第２トンネル障壁層７２は、絶縁膜から構成されている。これらのトンネル障壁層はショットキ障壁（半導体層に金属層を接触させる）から構成することも可能であるし、また、トンネル障壁層は、電子がトンネルする厚みのポテンシャル障壁を構成しており、本例では２ｎｍ以下であることとする。２ｎｍ以下の絶縁膜であれば、電子はこれをトンネルすることができ、ショットキ障壁の場合も、電子がこれをトンネルすることができる。なお、絶縁膜の方が、ショットキ障壁よりも厚みを制御することが容易であるという利点がある。
【００４２】
また、第１トンネル障壁層７１及び第２トンネル障壁層７２を構成する絶縁膜は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、又は、ＭｇＡｌ２Ｏ４からなる。これらの材料の場合、スピンのトンネルが効果的に行え、スピンの注入及び検出の効率が高いという利点がある。
【００４３】
なお、第１トンネル障壁層７１及び第２トンネル障壁層７２は、上記被覆用の絶縁膜７ｃと共通にすることもできる。
【００４４】
また、図５に示すように絶縁膜７ａ，７ｂ，７ｃのうち、絶縁膜７ｂを省略することも可能であるし、図６に示すように絶縁膜７ｂ，７ｃを省略することも可能である。
【００４５】
図７は、第２実施形態に係るスピン伝導素子の平面図、図８は、スピン伝導素子のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ矢印断面図、図９は、スピン伝導素子のＩＸ−ＩＸ矢印断面図である。
【００４６】
第２実施形態のスピン伝導素子は、第１配線８ａを囲む第１磁気ヨーク９ａを更に備えている。磁気ヨーク９ａを構成する材料としては、例えばＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏのうち少なくとも一つの元素を含む金属からなる強磁性体が好適であり、例えばＮｉＦｅを用いることができる。第２実施形態のスピン伝導素子の構成は、第１実施形態のものと比較して、第１磁気ヨーク９ａを備え、磁気ヨーク９ａと配線８ｃとの間には絶縁層７ｘが介在している。かかる点を除いて、第２実施形態のスピン伝導素子は、第１実施形態のものと同一である。絶縁層７ｘは、例えばＳｉＯ２やＳｉＮｘなどの無機絶縁体からなる。
【００４７】
第２実施形態のスピン伝導素子においては、第１配線８ａの周囲に発生した磁場Ｂの磁気線が第１磁気ヨーク９ａ内を通ることとなり、第１磁気ヨーク９ａ内における磁束密度は高くなるため、効率的に半導体層３Ｃ内に磁場Ｂを形成することができる。
【００４８】
磁気ヨーク９ａの形状は、Ｚ軸方向からみた場合（図７）長方形であり、Ｙ軸方向からみた場合（図８）も長方形であり、Ｘ軸方向からみた場合（図９）は四角環の一部が欠けた形状となる。磁気ヨーク９ａは、Ｘ軸を中心として第１配線８ａを取り囲むように配置されているが、第１強磁性層１と第２強磁性層２の間に位置する半導体層３Ｃの領域を覆っている。換言すれば、本実施形態においては、磁気ヨーク９による磁気回路内に半導体層３Ｃが配置されている。
【００４９】
図１０は、第３実施形態に係るスピン伝導素子の平面図、図１１は、スピン伝導素子のＸＩ−ＸＩ矢印断面図、図１２は、スピン伝導素子のＸＩＩ−ＸＩＩ矢印断面図である。
【００５０】
第３実施形態のスピン伝導素子は、第２配線８ｂを備えている。第２配線８ｂは、第１配線８ａと共に半導体層３Ｃを挟む位置に配置され、電流が供給されることにより、半導体層３Ｃにおける、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に領域内に、磁場Ｂを発生させる。第３実施形態のスピン伝導素子の構成は、第１実施形態のものと比較して、第２配線８ｂを備えている点以外は、同一である。
【００５１】
この場合、第１配線８ａの周囲に加えて、第２配線８ｂの周囲においても、磁場を発生させることができ、これらの磁場Ｂの重畳により、少ない電流で大きな磁場を半導体層内に発生させることができる。したがって、磁場Ｂによるスピン方向制御が更に有効になる。なお、第１配線８ａと第２配線８ｂを流れる電流の方向は逆方向であり、磁場の回転の向きも逆となる。また、第１配線８ａには電流源から電流が供給されるが、第２配線８ｂにも図示しない電流源から電流が供給される。
【００５２】
図１３は、第４実施形態に係るスピン伝導素子の平面図、図１４は、スピン伝導素子のＸＩＶ−ＸＩＶ矢印断面図、図１５は、スピン伝導素子のＸＶ−ＸＶ矢印断面図である。
【００５３】
第４実施形態のスピン伝導素子は、第３実施形態のスピン伝導素子と比較すると、第２磁気ヨーク９を更に備え、磁気ヨーク９と配線８ａ，８ｂとの間には絶縁層７ｘ，７ｙがそれぞれ介在している。第４実施形態のスピン伝導素子の構成は、これらの点を除いて、第３実施形態のものと同一である。絶縁層７ｘ，７ｙは、例えばＳｉＯ２やＳｉＮｘなどの無機絶縁体からなる。
【００５４】
本例の磁気ヨーク９は、第１磁気ヨーク９ａと第２磁気ヨーク９ｂを一体化した形状を有している。これらの磁気ヨーク９ａ，９ｂの仮想的境界線を図１５の点線で示す。第１磁気ヨーク９ａの基本形状は、基本的に第２実施形態に示した磁気ヨークと同じであるが、Ｙ軸方向の長さが少し短い。第２磁気ヨーク９ｂの形状は、第１磁気ヨーク９ａの形状と同一であり、これらの磁気ヨーク９ａ，９ｂはＹＺ平面に対して鏡対称の関係にある。
【００５５】
第１磁気ヨーク９ａは第１配線８ａをＸ軸回りに囲んでいるが、第２磁気ヨーク９ｂは第２配線８ｂをＸ軸周りに囲んでいる。第１配線８ａの周囲に発生した磁場Ｂの磁気線が第１磁気ヨーク９ａ内を通ることとなり、第１磁気ヨーク９ａ内における磁束密度は高くなる。また、第２配線８ｂの周囲に発生した磁場の磁気線が第２磁気ヨーク９ｂ内を通ることとなり、第２磁気ヨーク９ｂ内における磁束密度も高くなる。したがって、これらの磁場Ｂの重畳により、効率的に半導体層３Ｃ内に磁場Ｂを形成することができる。なお、第１ヨーク９ａ及び第２磁気ヨーク９ｂは、一体的に形成されているが、分離されていてもよい。
【００５６】
図１６は、第５実施形態に係るスピン伝導素子の平面図、図１７は、スピン伝導素子のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ矢印断面図、図１８は、スピン伝導素子のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ矢印断面図である。
【００５７】
第５実施形態に係るスピン伝導素子は、第１実施形態のスピン伝導素子と比較して、第１配線８ａに代えて、第３配線８ｃを半導体層３Ｃの上方に配置すると共に、第１強磁性層１及び第２強磁性層２の磁化方向Ｄ１，Ｄ２をＸ軸正方向としたものである。絶縁膜７ｃと第３配線８ｃとの間には、表面を平坦化するための被覆層１０が介在しており、第３配線８ｃは、半導体層３Ｃ上に形成された被覆層１０の表面上に形成され、Ｘ軸方向に沿って延びている。これらの点を除いて、第５実施形態にかかるスピン伝導素子の構成は、第１実施形態のものと同一である。被覆層１０は適当な絶縁体からなり、ＳｉＯ２やＳｉＮｘなどの無機絶縁体の他、フォトレジストなどの有機物を用いることも可能である。
【００５８】
第３配線８ｃへは、電流源から電流が供給されるが、この電流はＸ軸に沿って流れる。第３配線８ｃの周囲にＸ軸を囲む磁力線が通る磁場Ｂが発生する。磁化方向Ｄ１，Ｄ２と、磁場Ｂの向きは、半導体層３Ｃ内において直交している。この場合、磁場Ｂの影響によって、第１強磁性層１から第２強磁性層２に向かうスピンの向きが回転し、磁場Ｂに依存して、第２強磁性層２と第２電極５との間の電圧、すなわち出力電圧の大きさが変動する。この電圧は、電圧測定回路によって検出される。
【００５９】
図１９は、第６実施形態に係るスピン伝導素子の平面図、図２０は、スピン伝導素子のＸＸ−ＸＸ矢印断面図、図２１は、スピン伝導素子のＸＸＩ−ＸＸＩ矢印断面図である。
【００６０】
第６実施形態に係るスピン伝導素子は、第５実施形態のスピン伝導素子と比較して、第３配線８ｃ及び被覆層１０のＹ軸方向幅を大きくし、周囲を磁気ヨーク９で囲み、磁気ヨーク９と配線８ｃとの間には絶縁層７ｘを介在させた点が異なり、これらの点を除いて、第６実施形態にかかるスピン伝導素子の構成は、第５実施形態のものと同一である。絶縁層７ｘは、例えばＳｉＯ２やＳｉＮｘなどの無機絶縁体からなる。
【００６１】
磁気ヨーク９の形状は、Ｚ軸方向から見た場合（図１９）は長方形であり、Ｙ軸方向から見た場合（図２０）も長方形であり、Ｘ軸方向から見た場合（図２１）は四角環の一部分を切り取った形状であり、切り取られた部分に半導体層３Ｃが位置する。磁気ヨーク９は、Ｘ軸の周囲を囲んでいるが、この周方向の両端部が、半導体層３Ｃの２側面（ＸＺ平面）にそれぞれ隣接している。換言すれば、本実施形態においても、磁気ヨーク９による磁気回路内に半導体層３Ｃが配置されている。
【００６２】
この構造においても、配線３ｃの両端には電流源が接続され、配線８ｃが延びるＸ軸を囲む磁力線は、効率的に半導体層３Ｃ内に導入され、半導体層３Ｃの内部においても磁場が有効に発生する。したがって、第１強磁性層１から注入されたスピンが、第２強磁性層２に拡散する際に、磁場Ｂによる影響を受けることになる。
【００６３】
上記の実施形態においてＳＯＩ基板を用いた場合、スピンが伝導する半導体層３Ｃに、中間絶縁層３Ｂを介して半導体基板３Ａから、ゲート電圧を印加することが可能である。半導体基板３Ａにゲート電圧を印加すると、中間絶縁層３Ｂを介して、半導体層３Ｃにおけるゲート電位が変化する。これにより、半導体層３Ｃ内におけるスピンの伝導特性が変化し、外部磁場に対する出力変化及び外部磁場に対する感度を変化させることが可能になる。すなわち、ゲート電圧を制御することで、第２強磁性層２側へ到達するスピン又は電子量を制御することができる。ゲート電圧を印加するため、半導体基板３Ａにはゲート電圧印加回路（電圧印加手段：図示せず）を接続し、第１強磁性層１と第２強磁性層２の間の領域において、抵抗値を下げるための不純物を印加しておくことが好ましい。
【００６４】
次に、上述の第１〜第６実施形態における磁化方向について補足説明を行う。
【００６５】
図２３は、強磁性層の縦断面図である。図２３（Ａ）は、第１強磁性層１の詳細な構造を示しており、図２３（Ｂ）は、第２強磁性層２の詳細な構造を示している。第１〜第４実施形態においては、第１強磁性層１の磁化方向Ｄ１と、第２強磁性層２の磁化方向Ｄ２は、Ｙ軸に平行であり、同一方向であって、共に固定されている。磁化方向の固定には、反強磁性層を強磁性層に交換結合させる方法と、強磁性層のＸＹ平面内におけるアスペクト比を高めることで形状異方性を担保する方法とがある。これらの方法は、単独で用いることもできるが、双方を用いることも可能である。これらの手法によれば、第１及び第２強磁性層の磁化方向を有効に固定することができる。第５及び第６実施形態の場合には、Ｘ軸方向に磁化方向が固定されているため、反強磁性層を利用する方法を用いる。
【００６６】
第１強磁性層１の磁化方向の固定に反強磁性層を用いる場合、図２３（Ａ）に示すように、トンネル障壁層７１上に、強磁性層１、反強磁性層１Ｈ、保護膜１Ｐを順次積層し、強磁性層１と反強磁性層１Ｈとは交換結合をさせる。なお、保護膜１Ｐにはコンタクトホールを空けてから、コンタクトホール内に配線層１ｗを形成し、これを反強磁性層１Ｈに接触させる。
【００６７】
第２強磁性層２の磁化方向の固定に反強磁性層を用いる場合、図２３（Ｂ）に示すように、トンネル障壁層７２上に、強磁性層２、反強磁性層２Ｈ、保護膜２Ｐを順次積層し、強磁性層１と反強磁性層１Ｈとは交換結合をさせる。なお、保護膜２Ｐにはコンタクトホールを空けてから、コンタクトホール内に配線層２ｗを形成し、これを反強磁性層２Ｈに接触させる。
【００６８】
形状異方性を利用する場合、第１強磁性層１及び第２強磁性層２において、それぞれのＹ軸方向の寸法をＸ軸方向の寸法よりも長くすることで、磁化方向をＹ軸方向に沿わせることができる。この場合のアスペクト比（Ｙ／Ｘ）は、３以上であることが好ましく、５以上であることが更に好ましい。
【００６９】
上記の強磁性層は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの少なくとも一つを含む金属又はこの金属を含む合金である。強磁性層は、Ｂ、Ｃ、Ｎのうち少なくとも一種類の元素を含み、この元素を化合した化合物とすることもできる。上述の例では、強磁性層はＣｏＦｅである。
【００７０】
上記の反強磁性層の材料としては、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、又はＮｉＭｎ等のＭｎ合金を用いることができる。
【００７１】
上述のスピン伝導素子は、第１及び第２強磁性層に加えて第１及び第２電極を備えており、合計で４つの端子を備えている。この場合、第２強磁性層２の直下においてはスピン蓄積が生じ、この場合は、スピン流のみを利用するスピン伝導素子として機能する。スピン流のみを利用するスピン伝導素子の場合は、磁化方向に関して、以下の場合（Ａ１〜Ａ３）がある。
【００７２】
（Ａ１）磁化方向Ｄ１及びＤ２の双方を固定するが、これらの磁化方向が同一である(平行)場合について説明する。第１強磁性層１の磁化方向Ｄ１と、第２強磁性層２の磁化方向Ｄ２とを共に固定した場合、特定の偏極方向を有するスピン流の第２強磁性層２の直下の領域でのスピン分極率の制御因子は、配線によって形成される外部磁場Ｂである。外部磁場Ｂによって、多くのスピンが回転した場合には、このスピン分極率はスピンの回転した位相と磁場による減衰の関数として出力電圧が減少し、スピンが回転しない場合にはスピン分極率は伝播距離を関数として出力が減衰する。すなわち、配線に流れる電流に依存して、磁場Ｂを変動させ、一時的に出力電圧を一定の値に保持することができる。電子流源から電子が供給される条件と、電流源から電流が磁場形成用の配線に供給されて磁場が発生する条件の組み合わせにより、異なる出力電圧を得ることができ、これらを組み合わせることで演算を行うことも可能である。すなわち、このスピン伝導素子は、演算機能を有することができる。このスピン伝導素子は、書き換え可能な論理素子における揮発なメモリ素子あるいは一時的な書き変えが可能なスピン伝導を利用した演算素子に用いることができる。
【００７３】
（Ａ２）磁化方向Ｄ１及びＤ２の双方を固定するが、これらの磁化方向が反対である(反平行)場合について説明する。第１強磁性層１の磁化方向と第２強磁性層２の磁化方向とを反対に設定する方法も考えられる。この場合、磁場Ｂに応じた出力電圧の論理構造が、上記（Ａ１）の場合と異なるのみであり、上記と同様に、書き換え可能な論理素子における揮発なメモリ素子あるいは一時的な書き変えが可能なスピン伝導を利用した演算素子に用いることができる。
【００７４】
（Ａ３）磁化方向Ｄ１及びＤ２の一方を固定し、他方を固定しない場合について説明する。すなわち、第１強磁性層１の磁化方向Ｄ１を固定しないで、第２強磁性層２の磁化方向Ｄ２を固定する構造も考えられる。この場合、第２強磁性層２の保持力は、第１強磁性層１の保持力よりも大きくなる。保持力の大きさは、上述のように、反強磁性層を用いるか、アスペクト比を高くすることで大きくすることができる。この場合、第２強磁性層２の磁化方向は、第１強磁性層１の磁化方向と比較して、動きにくい。もちろん、第１強磁性層１は、多少の異方性を有しており、単磁区化されており、磁場を印加しない状態においても、磁化方向は緩やかに一定の方向を向く傾向がある。換言すれば、第１強磁性層１の磁化方向を、外部磁場や、スピン注入により変更すると、出力電圧が変わることになり、第１磁性層１の磁化方向を、１つの情報として記憶している。配線による磁場も出力電圧の制御因子である。スピン流の伝達過程において、磁場を印加すると、第２強磁性層２の直下の領域での特定偏極のスピンの分極率が変動するため、磁化方向に加えて、磁場の有無を制御することで、演算機能を有することができる。したがって、このスピン伝導素子は、第１強磁性層１と第２強磁性層２の磁化方向に対応した不揮発なメモリ素子、あるいは書き換え可能な論理素子における揮発なメモリ素子あるいは一時的な書き変えが可能なスピン伝導を利用した演算素子に用いることができる。また、第１強磁性層１の磁化方向を被計測磁場により変動させる場合には、このスピン伝導素子は、被計測磁場の計測センサとしても用いることができ、この場合、配線によって発生する外部磁場Ｂは、出力電圧のオン・オフに用いることができる。
【００７５】
なお、上述の構造において、上記スピン伝導素子を、磁気抵抗効果を利用したスピン伝導素子として機能させることもできる。この場合、上述の４つの端子のうち、使用するのは第１及び第２強磁性層の２端子であり、第１及び第２電極は使用しない。すなわち、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に電子流源を接続してこれらの間に、特定偏極のスピンを有する電子を流すと共に、これらの間に電圧検出装置も接続し、磁気抵抗効果によって変動するこれらの端子間の電圧も計測する。磁気抵抗効果を利用するスピン伝導素子の場合は、磁化方向に関して、以下の場合（Ｂ１〜Ｂ３）がある。
【００７６】
（Ｂ１）磁化方向Ｄ１及びＤ２の双方を固定するが、これらの磁化方向が同一である(平行)場合について説明する。磁場Ｂを印加しない場合には、原則的には、走行中のスピンが回転しないため、特定の偏極スピンを有する電子が、第２強磁性層２に到達した場合には、第１強磁性層１と第２強磁性層１との間の磁気抵抗は小さくなり、電子流量を一定にすると、出力電圧は小さくなる。磁場Ｂを印加すると、スピンが回転するため、磁気抵抗が大きくなり、電子流量を一定にすると、出力電圧が大きくなる。すなわち、配線に流れる電流に依存して、磁場を変動させ、一時的に出力電圧を一定の値に保持することができる。電子流源から電子が供給される条件と、電流源から電流が磁場形成用の配線に供給されて磁場が発生する条件の組み合わせにより、異なる出力電圧を得ることができ、これらを組み合わせることで演算を行うことも可能である。すなわち、このスピン伝導素子は、演算機能を有することができる。このスピン伝導素子は、書き換え可能な論理素子における揮発なメモリ素子あるいは一時的な書き変えが可能なスピン伝導を利用した演算素子に用いることができ、小さい磁場印加で高効率の変化を実現できるという利点がある。
【００７７】
（Ｂ２）磁化方向Ｄ１及びＤ２の双方を固定するが、これらの磁化方向が反対である(反平行)場合について説明する。この場合、磁化方向が同一（平行）な場合と比較して、出力電圧の論理が異なることになる。磁場Ｂを印加しない場合には、原則的には、走行中のスピンが回転しないが、磁化方向Ｄ１，Ｄ２は逆向きのため、特定の偏極スピンを有する電子が、第２強磁性層２に到達した場合には、第１強磁性層１と第２強磁性層１との間の磁気抵抗は大きなままであり、電子流量を一定にすると、出力電圧は大きくなる。磁化方向に垂直な磁場Ｂを印加すると、高い均一性でスピンが回転するため、磁気抵抗が小さくなり、電子流量を一定にすると、出力電圧が小さくなる。すなわち、配線に流れる電流に依存して、磁場Ｂを変動させ、一時的に出力電圧を一定の値に保持することができる。電子流源から電子が供給される条件と、電流源から電流が磁場形成用の配線に供給されて磁場が発生する条件の組み合わせにより、異なる出力電圧を得ることができ、これらを組み合わせることで演算を行うことも可能である。すなわち、このスピン伝導素子は、演算機能を有することができる。このスピン伝導素子は、書き換え可能な論理素子における揮発なメモリ素子あるいは一時的な書き変えが可能なスピン伝導を利用した演算素子に用いることができ、小さい磁場印加で高効率の変化を実現できるという利点がある。
【００７８】
（Ｂ３）磁化方向Ｄ１及びＤ２の一方を固定し、他方を固定しない場合について説明する。
すなわち、第１強磁性層１の磁化方向Ｄ１を固定しないで、第２強磁性層２の磁化方向Ｄ２を固定する場合、第２強磁性層２の保持力は、第１強磁性層１の保持力よりも大きくなる。保持力の大きさは、上述のように、反強磁性層を用いるか、アスペクト比を高くすることで大きくすることができる。この場合、第２強磁性層２の磁化方向は、第１強磁性層１の磁化方向と比較して、動きにくい。もちろん、第１強磁性層１は、多少の異方性を有しており、単磁区化されており、磁場を印加しない状態においても、磁化方向は緩やかに一定の方向を向く傾向がある。換言すれば、第１強磁性層１の磁化方向を、外部磁場や、スピン注入により変更すると、出力電圧が変わることになり、第１磁性層１の磁化方向を、１つの情報として記憶している。配線による磁場Ｂも出力電圧の制御因子である。電子流の伝達過程において、磁場を印加すると、第２強磁性層２の直下の領域への特定偏極のスピンの到達率が変動するため、磁化方向に加えて、磁場の有無を制御することで、演算機能を有することができる。したがって、このスピン伝導素子は、第１強磁性層１と第２強磁性層２の磁化方向に対応した不揮発なメモリ素子、あるいは書き換え可能な論理素子における揮発なメモリ素子あるいは一時的な書き変えが可能なスピン伝導を利用した演算素子に用いることができる。また、第１強磁性層１の磁化方向を被計測磁場により変動させる場合には、このスピン伝導素子は、被計測磁場の計測センサとしても用いることができ、この場合、配線によって発生する外部磁場Ｂは、出力電圧のオン・オフに用いることができる。
【００７９】
次に、上述のスピン伝導素子の製造方法について説明する。
【００８０】
（第１実施形態の場合）
【００８１】
まず、Ｓｉからなる半導体基板上にＡｌ２Ｏ３からなる中間絶縁層及びＳｉからなる半導体層を堆積してなるＳＯＩ基板を用意し、半導体層表面のクリーニングを行い、表面の不純物及び酸化物を除去する。次に、半導体層の表面から不純物を添加し、半導体層の表層の不純物濃度を増加させ、表層における電子状態を変更する。不純物添加には、イオン注入法を用いることができるが、不純物としては、ＰやＳｂを採用することができる。
【００８２】
ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法を用いて、半導体層の表面に、厚さ１ｎｍ程度のトンネル障壁層としての絶縁膜（ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３又はＭｇＡｌ２Ｏ４）を形成し、続いて、スパッタ法により、トンネル障壁層上に強磁性層を形成する。強磁性層としては、例えばＦｅを用い、その上に、スパッタ法により、Ｒｕ層及びＴａ層を順次堆積して、これらの層からハードマスクを形成する。なお、ハードマスクの形成前に、強磁性層上に上述の反強磁性層を堆積することとしてもよい。磁化方向の固定のために、必要に応じて熱と磁場を強磁性層に印加することができる。次に、フォトレジストをハードマスク上に塗布し、フォトリソグラフィを用いて、長方形のチャネル領域が残留するように、チャネル領域周囲のハードマスクをイオンミリング又はドライエッチングして除去する。
【００８３】
しかる後、このハードマスクを用いて、Ｓｉからなる半導体層を中間絶縁層に到達するまでエッチングする。このエッチングには、ウエットエッチング又は反応性ドライエッチング（ＲＩＥ）などのドライエッチングを用いることができる。
【００８４】
次に、イオンミリングを用いてハードマスクを除去し、強磁性層を露出させる。露出した強磁性層の表面にネガ型の電子線レジストを塗布し、このレジスト表面を電子線でＹ軸に平行に２箇所走査し、一対の細長い露光パターンを形成し、現像処理を行うことで、細長いレジストパターンを残留させる。このレジストパターンをマスクとして、強磁性層を半導体層の表面が露出するまでイオンミリングして、レジストパターンと同一形状の第１強磁性層及び第２強磁性層を画成する。
【００８５】
次に、露出した半導体層の表面に絶縁膜を形成する。この絶縁膜は、シリコン酸化膜からなり、ＳｉＯ２からなる半導体層の両側面及び上面を被覆する。この絶縁膜の形成にはスパッタ法を用いることができるが、Ｓｉの熱酸化を用いることも可能である。更に、この絶縁膜上に、２箇所が開口したレジストパターンを、フォトリソグラフィによって形成し、開口内に露出した絶縁膜をフッ酸水溶液等を用いたウエットエッチング又は、ドライエッチングを用いて除去し、半導体層の表面を露出させる。一対の開口内に露出した半導体層の表面上に上述の第１電極及び第２電極を堆積させる。それぞれの第１電極及び第２電極は、界面抵抗の小さなＡｌ層を用いることができる。
【００８６】
しかる後、半導体層の側面上に上記絶縁膜を介して第１配線を形成する。第１配線は、この配線の形成予定領域が開口したレジストパターンをフォトリソグラフィにより形成し、開口内に第１配線を埋め込むことによって形成する。第１配線の材料としてはＣｕなどの金属を用いることができ、埋め込み形成の方法としては、メッキ法やスパッタ法を用いることができる。
【００８７】
なお、ＳＯＩ基板を用いた場合には、半導体層の厚みが大きいことによる影響を抑制することができるという効果があるが、かかる効果を期待しない場合には、最初に用意する基板はＳＯＩ基板でなく、Ｓｉ基板であってもよい。また、素子又は基板全体を囲む磁気シールドを必要に応じて形成することも可能である。
（第２実施形態の場合）
【００８８】
第２実施形態のスピン伝導素子は、第１実施形態のスピン伝導素子に磁気ヨークを形成したものである。したがって、第２実施形態のスピン伝導素子の製造方法は、第１配線の形成工程までは、第１実施形態の場合の製造方法と同一であり、この工程の後、磁気ヨークを形成する点のみが異なる。
【００８９】
磁気ヨークの前に、磁気ヨークと配線との絶縁をとるため、図９に示した絶縁層７ｘを形成しておく。この絶縁層の形成においては、形成予定領域が開口したレジストパターンをフォトリソグラフィにより形成し、開口内に絶縁層をスパッタ法で堆積する。なお、図９においては、必要な箇所のみに絶縁層７ｘが形成されているが、磁気ヨークの形成前においては全面に絶縁層を形成していてもよい。
【００９０】
この絶縁層の形成後、磁気ヨークの形成予定領域が開口したレジストパターンをフォトリソグラフィにより形成し、開口内に磁気ヨークを堆積する。この堆積には、スパッタ法を用いることができる。或いは、磁気ヨークの形成予定領域のみにレジストパターンをフォトリソグラフィにより形成し、その周囲の表面をＳｉＯ２などの絶縁層で被覆した後、レジストパターンを除去し、除去した後に現れた開口内に、スパッタ法で磁気ヨーク材料を堆積し、その露出表面側から化学機械研磨を行うことで、表面を平坦化する方法を採用することもできる。この場合、磁気ヨークの周囲は絶縁層で囲まれることになる。なお、第２実施形態の場合は、磁気ヨークの形成予定領域のＹ軸方向の端部の一方が半導体層上に位置し他方が半導体層の外側に位置している。また、第１実施形態と同様に、ＳＯＩ基板に代えてＳｉ基板を用いたり、素子又は基板全体を囲む磁気シールドを必要に応じて形成することも可能である。
【００９１】
（第３実施形態の場合）
【００９２】
第２実施形態のスピン伝導素子は、第１実施形態のスピン伝導素子において配線数が１本から２本に増加したものである。したがって、第３実施形態のスピン伝導素子の製造方法は、第１配線８ａの形成工程において、これと同一の工程で、第２配線８ｂを形成する点のみが第１実施形態の場合と相違し、残りの工程は同一である。また、第１実施形態と同様に、ＳＯＩ基板に代えてＳｉ基板を用いたり、素子又は基板全体を囲む磁気シールドを必要に応じて形成することも可能である。
（第４実施形態の場合）
【００９３】
第４実施形態のスピン伝導素子は、第３実施形態のスピン伝導素子において、磁気ヨークを形成したものである。したがって、第４実施形態のスピン伝導素子の製造方法は、第１配線及び第２配線の形成工程までは、第３実施形態の場合の製造方法と同一であり、この工程の後、磁気ヨークを形成する点のみが異なり、残りの工程は同一である。磁気ヨークの形成工程は、その形状を除いて、第２実施形態の場合と同一であり、形成前には絶縁をとるための絶縁層７ｘ、７ｙを、第２実施形態と同様に形成する。第２実施形態の場合は、磁気ヨークの形成予定領域のＹ軸方向の端部の一方が半導体層上に位置し他方が半導体層の外側に位置していたが、第３実施形態では、双方の端部が半導体層の外側に位置している。また、第１実施形態と同様に、ＳＯＩ基板に代えてＳｉ基板を用いたり、素子又は基板全体を囲む磁気シールドを必要に応じて形成することも可能である。
（第５実施形態の場合）
【００９４】
第５実施形態のスピン伝導素子は、第１実施形態のスピン伝導素子において配線の位置を半導体層の上部に変更したものである。したがって、第５実施形態のスピン伝導素子の製造方法は、第１配線８ａの形成工程において、その形成位置を、第３配線８ｃの形成位置に変更した点のみが第１実施形態の場合と相違し、残りの工程は同一である。もちろん、形成前に、半導体層上部の絶縁膜上に、被覆層１０をスパッタ法で形成しておき、第３配線８ｃは、この上に形成する（図１７参照）。第３配線８ｃを形成する場合のエッチングにおいては、そのレジストを用いて被覆層１０もエッチングする。また、第１実施形態と同様に、ＳＯＩ基板に代えてＳｉ基板を用いたり、素子又は基板全体を囲む磁気シールドを必要に応じて形成することも可能である。
（第６実施形態の場合）
【００９５】
第６実施形態のスピン伝導素子は、第５実施形態のスピン伝導素子において配線の寸法を変更し、磁気ヨークを設けたものである。したがって、第５実施形態のスピン伝導素子の製造方法は、第３配線の形成工程までは、そのＹ軸寸法を広げた点を除いて、第５実施形態の場合の製造方法と同一であり、この工程の後、磁気ヨークを形成する点のみが異なり、残りの工程は同一である。磁気ヨークの形成工程は、その形状を除いて、第２実施形態の場合と同一であり、形成前には絶縁をとるための絶縁層７ｘを、第２実施形態と同様に形成する。第２実施形態の場合は、磁気ヨークの形成予定領域のＹ軸方向の端部の一方が半導体層上に位置し他方が半導体層の外側に位置していたが、第３実施形態では、双方の端部が半導体層の外側に位置している。また、半導体層の側方に隣接する磁気ヨーク下部領域（半導体層側の領域）をパターニング形成した後に、この上に、ＹＺ断面が逆Ｕ文字型の磁気ヨークを形成してもよい。また、第１実施形態と同様に、ＳＯＩ基板に代えてＳｉ基板を用いたり、素子又は基板全体を囲む磁気シールドを必要に応じて形成することも可能である。なお、磁気抵抗効果を用いたスピン伝導素子の場合には、第１電極及び第２電極は形成するには及ばない。
【００９６】
以上、説明したように、本発明のスピン伝導デバイスは、第１強磁性層１と第２強磁性層の磁化方向に対応した不揮発なメモリ素子、あるいは書き換え可能な論理素子における揮発なメモリ素子あるいは一時的な書き変えが可能なスピン伝導を利用した演算素子に利用することができる。そして、このように磁化情報が改変するという性質を積極的に利用すれば、外部磁場をスピン伝導経路に印加することによって、スピンの有する磁化情報を伝播中に変調或いは消去することが可能である。また、十分なスピン寿命と電極間距離があれば、スピンの回転振動を利用したデータの書き換えも可能である。なお、不要な磁場が半導体層３Ｃ内に発生しないようにするには、チャネルとしてのスピン伝導経路の周囲に磁気シールドを形成すればよい。
【００９７】
なお、強磁性層の磁化方向は、上述のように、スピン流のみを用いる非局所配置の場合であっても、磁気抵抗効果を用いる場合であっても、どのような向きであっても使用することが可能であり、前者の非局所配置の場合には、磁化方向を平行とする場合と、反平行とする場合において、出力結果に差は生じないが、製造段階においては、同一方向に磁場をかけて強磁性層を加熱することで、磁化方向を平行とする方が容易であるため、第１及び第２強磁性層の磁化方向は平行であることが好ましい。一方、後者の磁気抵抗効果を用いる配置の場合には、第１及び第２強磁性層の磁化方向を反平行とした方が、平行とした場合よりも、大きな出力を得ることができるので、好ましい。
【符号の説明】
【００９８】
３Ａ・・・半導体基板、３Ｂ・・・中間絶縁層、３Ｃ・・・半導体層、８ａ，８ｂ，８ｃ・・・磁場発生用の配線、Ｉ・・・電流源、Ｅ・・・電子流源、Ｖ・・・電圧測定回路、７ａ，７ｂ，７ｃ・・・絶縁膜、７１，７２・・・トンネル障壁層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場を用いたスピン伝導素子に関わるものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、スピン伝導素子に興味が集まっている。従来、スピンの流れ（スピン流）は電流に付随するものと考えられていたため、スピン単独の流れは知られていなかった。電流に付随したスピン流は、一般的に磁気抵抗効果を用いる広範囲の応用製品において利用されている。このような製品には、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）における磁気ヘッド、磁気センサ、或いは磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）などがある。スピン伝導素子とは、従来からある電流に付随したスピン流を利用する素子と、スピン流のみを利用する素子の総称である。
【０００３】
薄膜技術を利用したスピン伝導素子も注目されている。その応用例の一つが、Ｓｐｉｎ-ＭＯＳＦＥＴである（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。その他のスピン流に関する技術は、例えば特許文献４や非特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４１４３６４４号
【特許文献２】特開２００２−２４６４８７号公報
【特許文献３】特開平０９−０９７９０６号公報
【特許文献４】特許第３８１８２７６号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】F.J.Jedema et. al.、「Electrical detection of spin precession in a metallic mesoscopicspin valve」、Nature 416, 713、(2002)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、スピンの走行距離が長い場合には、外部磁場によりスピンの向きが影響を受け易くなる。このような場合、外部磁場が非常に弱い場合であっても、スピンが回転することとなり、スピンの向きに依存する正確な磁化情報は、伝達中に改変されることになる。スピンが伝達の初期段階において有する磁化情報は、スピンが初期段階に通過する強磁性体の磁化方向に依存する。伝達中に磁化情報が改変されると、これを収集した場合に、正確な情報は減少し、ノイズ情報は増加することになる。一般に、ノイズ情報の増加は、好ましいことではない。
【０００７】
その一方で、磁化情報が改変してしまうという悪性を積極的に利用できれば、新しい技術となる可能性があるが、磁化情報の改変という現象、すなわち「Ｈａｎｌｅ効果」を積極的に利用することは不可能であると思われた。これは情報を書き換えるための「Ｈａｎｌｅ効果」を誘発させるためにはスピンが伝導する方向及びスピンの磁化方向に垂直な外部磁場が印加される必要がある。外部磁場が垂直方向から大きくずれた場合には外部磁場に対するスピンの回転が不均一になり、正確に情報を書き換えることが困難となる。
【０００８】
本発明は、このような性質を積極的に利用した新しい技術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】
上述の課題を解決するため、本発明に係るスピン伝導素子は、半導体層と、前記半導体層上に第１トンネル障壁層を介して設けられた第１強磁性層と、前記半導体層上に、前記第１強磁性層から離間し、第２トンネル障壁層を介して設けられた第２強磁性層と、電流が供給されることにより、前記半導体層における、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に領域内に、磁場を発生させる第1配線と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
スピン流を利用する場合、第１及び第２強磁性層間を流れるスピン流を、磁場によって制御することで、このスピン伝導素子を、一時的なメモリなどに利用することができる。また、このスピン伝導素子において、磁気抵抗効果を利用する場合、第１及び第２強磁性層間を流れる電流のスピンを磁場によって制御することで、これらの間の磁気抵抗を制御することができ、このスピン伝導素子を、一時的なメモリなどに利用することができる。
【００１１】
また、本発明に係るスピン伝導素子は、前記半導体層上の前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間の領域の外側であって、前記第１強磁性層側に設けられた第１電極と、前記半導体層上の前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間の領域の外側であって、前記第２強磁性層側に設けられた第２電極と、前記第１強磁性層と前記第１電極との間に電子を流す電子流源と、前記第２強磁性層と前記第２電極との間の電圧を測定する電圧測定手段と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
電子流源により、第１強磁性層と第１電極との間に電子流が供給されると、半導体層内を電子が流れるが、第1強磁性層下の第１トンネル障壁層と半導体層の界面からは、スピン流が拡散する。このスピン流は、第２強磁性層方向にも流れ、スピンの磁化方向に依存して、第２トンネル障壁層を介して、第２強磁性層がスピンを感じ、第２強磁性層と第２電極との間には電圧が発生する。この電圧は、電圧測定手段によって検出される。スピン伝導素子における第１配線に電流を供給すると、その周囲に磁場が発生するが、半導体層のスピンが走行する領域内において、磁場が印加されると、磁場の影響を受けて、スピンの方向が変わる。したがって、この磁場を制御することで、第２強磁性層が感じるスピンの電位を制御することができる。したがって、このスピン伝達素子は、スピン伝導を利用した演算回路において、磁場が印加されたときのみ情報を書き換えることができる揮発メモリ、あるいはスピン流のゲート効果の素子として利用することができる。なお、第１及び第２トンネル障壁層は共通層であってもよい。
【００１３】
前記第１強磁性層の磁化方向と前記第２強磁性層の磁化方向とは等しく、前記磁場の方向は、前記第１又は第２強磁性層の磁化方向に対して垂直であることを特徴とする。
【００１４】
この場合、第１強磁性層側から流出するスピンの方向が、配線を流れる電流によって生成された磁場により、走行中に変化し、第２強磁性層に到達した時点では、スピンの向きを大きく変化させることで、第２強磁性層が感じるスピンの電位を変化させることができる。すなわち、走行中のスピンの方向が磁場によって大きく影響を受けるため、磁場による出力制御がより効果的になる。
【００１５】
また、本発明に係るスピン伝導素子は、前記第１配線を囲む第１磁気ヨークを更に備えることを特徴とする。この場合、第１配線の周囲に発生した磁場の磁気線が第１磁気ヨーク内を通ることとなり、第１磁気ヨーク内における磁束密度は高くなるため、効率的に半導体層内に磁場を形成することができる。また、このときヨークの構造により伝導するスピンに対して垂直な磁場が印加されるため効率的なスピンの回転を実現することができる。
【００１６】
また、本発明に係るスピン伝導素子は、前記第１配線と共に前記半導体層を挟む位置に配置され、電流が供給されることにより、前記半導体層における、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に領域内に、磁場を発生させる第２配線を、更に備えることを特徴とする。
【００１７】
この場合、第１配線の周囲に加えて、第２配線の周囲においても、磁場を発生させることができるため、これらの磁場の重畳により、大きな磁場を半導体層内に発生させることができる。したがって、磁場によるスピン方向制御が更に有効になる。
【００１８】
前記第２配線を囲む第２磁気ヨークを更に備えることを特徴とする。この場合、第２配線の周囲に発生した磁場の磁気線が第２磁気ヨーク内を通ることとなり、第２磁気ヨーク内における磁束密度は高くなるため、効率的に半導体層内に磁場を形成することができる。なお、第１及び第２磁気ヨークは、一体的に形成されていてもよい。
【００１９】
前記第１及び第２トンネル障壁層は、絶縁膜又はショットキ障壁から構成されていることを特徴とする。トンネル障壁層は、電子がトンネルする厚みのポテンシャル障壁を構成しており、本例では２ｎｍ以下であることとする。２ｎｍ以下の絶縁膜であれば、電子はこれをトンネルすることができ、ショットキ障壁の場合も、電子がこれをトンネルすることができる。なお、絶縁膜の方が、ショットキ障壁よりも厚みを制御することが容易であるという利点がある。
【００２０】
また、前記絶縁膜は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、又は、ＭｇＡｌ２Ｏ４からなることを特徴とする。これらの材料の場合、スピンの注入及び検出の効率が高いという利点がある。
【００２１】
前記第２強磁性層の保持力は、前記第１強磁性層の保持力よりも大きいことを特徴とする。この場合、第２強磁性層の磁化方向は、第１強磁性層の磁化方向と比較して、動きにくい。したがって、このスピン伝導素子は、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層の磁化方向に対応した不揮発なメモリ素子、あるいは書き換え可能な論理素子に用いることができる。
【００２２】
また、本発明に係るスピン伝導素子においては、前記第２強磁性層に交換結合した反強磁性層を更に備えること、及び／又は、前記第２強磁性層が形状異方性を備えることにより、前記第２強磁性層の磁化方向が固定されていることを特徴とする。これらの手法によれば、第２強磁性層の磁化方向を有効に固定することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によるスピン伝導素子によれば、有効に「Ｈａｎｌｅ効果」を利用することができるため、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層の磁化方向に対応した不揮発なメモリ素子、あるいは書き換え可能な論理素子における揮発なメモリ素子あるいは一時的な書き変えが可能なスピン伝導を利用した演算素子に利用することが可能である。
【００２４】
上記の発明はスピン伝導のみを利用した演算素子に限定されるものではない。スピン伝導と電流の効果である磁気抵抗効果を利用した場合には、前述の前記第１電極及び前記第２電極を削除した構造で、同様のことが実現できる。
【００２５】
磁気抵抗効果を用いる場合、前記第１強磁性層の磁化方向と前記第２強磁性層の磁化方向とは反平行であり、前記磁場の方向は、前記第１又は第２強磁性層の磁化方向に対して垂直であることを特徴とする。この場合、垂直な磁場に対する応答が大きくなり、小さい磁場で大きな変調が可能になるという利点がある。また、スピン流を用いる場合、第１強磁性層の磁化方向と第２強磁性層の磁化方向とを平行にする場合、製造時において、磁場をかけて同時に熱処理を行えばよいので、製造が容易となる。
【００２６】
また、上述のスピン伝導素子は、前記半導体層が中間絶縁層を介して形成される半導体基板と、前記半導体基板にゲート電圧を印加する電圧印加手段と、を備えることを特徴とする。この場合、ゲート電圧によって、第１及び第２強磁性層間を流れるスピン量又は電子量を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】スピン伝導素子の斜視図である。
【図２】スピン伝導素子の平面図である。
【図３】スピン伝導素子のＩＩＩ−ＩＩＩ矢印断面図である。
【図４】スピン伝導素子のＩＶ−ＩＶ矢印断面図である。
【図５】スピン伝導素子（変形例）の断面図である。
【図６】スピン伝導素子（変形例）の断面図である。
【図７】スピン伝導素子の平面図である。
【図８】スピン伝導素子のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ矢印断面図である。
【図９】スピン伝導素子のＩＸ−ＩＸ矢印断面図である。
【図１０】スピン伝導素子の平面図である。
【図１１】スピン伝導素子のＸＩ−ＸＩ矢印断面図である。
【図１２】スピン伝導素子のＸＩＩ−ＸＩＩ矢印断面図である。
【図１３】スピン伝導素子の平面図である。
【図１４】スピン伝導素子のＸＩＶ−ＸＩＶ矢印断面図である。
【図１５】スピン伝導素子のＸＶ−ＸＶ矢印断面図である。
【図１６】スピン伝導素子の平面図である。
【図１７】スピン伝導素子のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ矢印断面図である。
【図１８】スピン伝導素子のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ矢印断面図である。
【図１９】スピン伝導素子の平面図である。
【図２０】スピン伝導素子のＸＸ−ＸＸ矢印断面図である。
【図２１】スピン伝導素子のＸＸＩ−ＸＸＩ矢印断面図である。
【図２２】スピン伝導素子におけるスピンの方向の回転について説明するための図である。
【図２３】強磁性層の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、実施の形態に係るスピン伝導素子について説明する。なお、同一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。
【００２９】
図１は、第１実施形態に係るスピン伝導素子の斜視図であり、図２は、第１実施形態に係るスピン伝導素子の平面図、図３は、スピン伝導素子のＩＩＩ−ＩＩＩ矢印断面図、図４は、スピン伝導素子のＩＶ−ＩＶ矢印断面図である。なお、基板厚み方向をＺ軸とし、これに垂直な２軸をＸ軸及びＹ軸とする三次元直交座標系が設定される。
【００３０】
このスピン伝導素子はＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板３を備えている。ＳＯＩ基板３は、半導体基板３Ａと、中間絶縁層３Ｂと、半導体層３Ｃとを順次積層してなる基板である。半導体基板３Ａ及び半導体層３ＣはＳｉからなり、中間絶縁層３ＢはＡｌ２Ｏ３又はＳｉＯ２からなる。
【００３１】
半導体層３Ｃは、周囲をエッチングすることによって直方体に加工されている。半導体層３Ｃの近傍には磁場発生用の第１配線８ａが配置されている。第１配線８ａは、半導体層３Ｃに併設され、これらの長手方向（Ｘ軸方向）が一致しており、これらは互いに平行に延びている。半導体層３Ｃの周囲は、絶縁膜７ａ，７ｂ，７ｃによって囲まれている。絶縁膜７ａ，７ｂ，７ｃは、本例ではＳｉＯ２からなるが、これはＳｉＮｘ、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３又はＭｇＡｌ２Ｏ４からなることとしてもよい。なお、同図では、半導体層３Ｃの長手方向の両端部には絶縁膜が設けられていないが、これらの両端部の表面を絶縁膜で被覆することとしてもよい。
【００３２】
半導体層３Ｃの側面は絶縁膜７ａ，７ｂで被覆されると共に、上面は絶縁膜７ｃで被覆されている。第１配線８ａは、半導体層３Ｃの側面に絶縁層７ｃを介して設けられている。
【００３３】
また、スピン伝導素子は、図３に示すように、Ｘ軸に沿って順次配置された第１強磁性層１と、第１電極４と、第２強磁性層２と、第２電極５とを備えている。第１強磁性層１は、半導体層３Ｃ上に第１トンネル障壁層７１を介して設けられている。第１電極４は、半導体層３Ｃ上に設けられ、第１強磁性層１の近傍に配置されている。第２強磁性層２は、半導体層３Ｃ上に、第１強磁性層７１から離間し、第２トンネル障壁層７２を介して設けられている。第２電極５は、半導体層３Ｃ上に設けられており、第２強磁性層２の近傍に配置されている。
【００３４】
第１配線８ａは、電流源Ｉから、第１配線８ａに電流ｉが供給されることにより、半導体層３Ｃにおける、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に領域内に、磁場Ｂを発生させるものである。電流源Ｉは、第１配線８ａの両端部に電気的に接続されている。磁場Ｂは、Ｘ軸を囲む方向に発生しているため、半導体層３Ｃの内部においては、この厚み方向に平行に磁束が通っていることになる。
【００３５】
スピン流を利用したスピン伝導素子は、図１に示すように、第１強磁性層１と第１電極４との間に電子eを流す電子流源Ｅと、第２強磁性層２と第２電極５との間の電圧を測定する電圧測定回路（手段）Ｖとを備えている。
【００３６】
電子流源Ｅにより、第１強磁性層１と第１電極４との間に電子流が供給されると、半導体層３Ｃ内を電子が流れる。本例では、第１強磁性層１から第１電極４に電子が流れ（電流の向きは逆）、第１強磁性層１の直下の半導体領域内においてスピンが発生する。すなわち、第1強磁性層１の下の第１トンネル障壁層７１と半導体層３Ｃの界面からは、スピン流が拡散する。このスピン流は、第２強磁性層２方向にも流れ、スピンの磁化方向に依存して、第２トンネル障壁層７２を介して、第２強磁性層２はスピン流が作る電位に応じて、第２強磁性層２と第２電極５との間には電圧が発生する。この電圧は、電圧測定回路Ｖによって検出される。
【００３７】
図２２は、スピン伝導素子におけるスピンの方向の回転について説明するための図である。
【００３８】
スピン伝導素子における第１配線８ａに電流を供給すると、その周囲に磁場Ｂが発生するが、半導体層３Ｃのスピンが走行する領域内において、磁場Ｂが印加されると、磁場の影響を受けて、図２２の矢印によって示されるスピンの方向が変わる。したがって、この磁場を制御することで、第２強磁性層が感じるスピン電位を制御することができる。したがって、このスピン伝達素子は、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層の磁化方向に対応した不揮発なメモリ素子、あるいは書き換え可能な論理素子における揮発なメモリ素子あるいは一時的な書き変えが可能なスピン伝導を利用した演算素子に利用することができる。なお、図３に示した第１トンネル障壁層７１及び第２トンネル障壁層７２は共通層であってもよい。
【００３９】
また、図２に示すように、第１強磁性層１の磁化方向Ｄ１と第２強磁性層２の磁化方向Ｄ２とは等しく、共にＹ軸の正方向を向いており、半導体層３Ｃの位置における磁場Ｂの方向は、第１又は第２強磁性層１，２の磁化方向Ｄ１，Ｄ２に対して垂直である。
【００４０】
この場合、第１強磁性層１側から流出するスピンの方向が、配線８ａを流れる電流によって生成された磁場Ｂにより、半導体層３Ｃの走行中に変化し、第２強磁性層２に到達した時点では、スピンの向きを大きく変化させ、第２強磁性層が感じるスピン電位を変化させることができる(図２２参照)。すなわち、走行中のスピンの方向が磁場Ｂによって大きく影響を受けるため、磁場Ｂによる出力制御がより効果的になる。
【００４１】
第１トンネル障壁層７１及び第２トンネル障壁層７２は、絶縁膜から構成されている。これらのトンネル障壁層はショットキ障壁（半導体層に金属層を接触させる）から構成することも可能であるし、また、トンネル障壁層は、電子がトンネルする厚みのポテンシャル障壁を構成しており、本例では２ｎｍ以下であることとする。２ｎｍ以下の絶縁膜であれば、電子はこれをトンネルすることができ、ショットキ障壁の場合も、電子がこれをトンネルすることができる。なお、絶縁膜の方が、ショットキ障壁よりも厚みを制御することが容易であるという利点がある。
【００４２】
また、第１トンネル障壁層７１及び第２トンネル障壁層７２を構成する絶縁膜は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、又は、ＭｇＡｌ２Ｏ４からなる。これらの材料の場合、スピンのトンネルが効果的に行え、スピンの注入及び検出の効率が高いという利点がある。
【００４３】
なお、第１トンネル障壁層７１及び第２トンネル障壁層７２は、上記被覆用の絶縁膜７ｃと共通にすることもできる。
【００４４】
また、図５に示すように絶縁膜７ａ，７ｂ，７ｃのうち、絶縁膜７ｂを省略することも可能であるし、図６に示すように絶縁膜７ｂ，７ｃを省略することも可能である。
【００４５】
図７は、第２実施形態に係るスピン伝導素子の平面図、図８は、スピン伝導素子のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ矢印断面図、図９は、スピン伝導素子のＩＸ−ＩＸ矢印断面図である。
【００４６】
第２実施形態のスピン伝導素子は、第１配線８ａを囲む第１磁気ヨーク９ａを更に備えている。磁気ヨーク９ａを構成する材料としては、例えばＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏのうち少なくとも一つの元素を含む金属からなる強磁性体が好適であり、例えばＮｉＦｅを用いることができる。第２実施形態のスピン伝導素子の構成は、第１実施形態のものと比較して、第１磁気ヨーク９ａを備え、磁気ヨーク９ａと配線８ｃとの間には絶縁層７ｘが介在している。かかる点を除いて、第２実施形態のスピン伝導素子は、第１実施形態のものと同一である。絶縁層７ｘは、例えばＳｉＯ２やＳｉＮｘなどの無機絶縁体からなる。
【００４７】
第２実施形態のスピン伝導素子においては、第１配線８ａの周囲に発生した磁場Ｂの磁気線が第１磁気ヨーク９ａ内を通ることとなり、第１磁気ヨーク９ａ内における磁束密度は高くなるため、効率的に半導体層３Ｃ内に磁場Ｂを形成することができる。
【００４８】
磁気ヨーク９ａの形状は、Ｚ軸方向からみた場合（図７）長方形であり、Ｙ軸方向からみた場合（図８）も長方形であり、Ｘ軸方向からみた場合（図９）は四角環の一部が欠けた形状となる。磁気ヨーク９ａは、Ｘ軸を中心として第１配線８ａを取り囲むように配置されているが、第１強磁性層１と第２強磁性層２の間に位置する半導体層３Ｃの領域を覆っている。換言すれば、本実施形態においては、磁気ヨーク９による磁気回路内に半導体層３Ｃが配置されている。
【００４９】
図１０は、第３実施形態に係るスピン伝導素子の平面図、図１１は、スピン伝導素子のＸＩ−ＸＩ矢印断面図、図１２は、スピン伝導素子のＸＩＩ−ＸＩＩ矢印断面図である。
【００５０】
第３実施形態のスピン伝導素子は、第２配線８ｂを備えている。第２配線８ｂは、第１配線８ａと共に半導体層３Ｃを挟む位置に配置され、電流が供給されることにより、半導体層３Ｃにおける、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に領域内に、磁場Ｂを発生させる。第３実施形態のスピン伝導素子の構成は、第１実施形態のものと比較して、第２配線８ｂを備えている点以外は、同一である。
【００５１】
この場合、第１配線８ａの周囲に加えて、第２配線８ｂの周囲においても、磁場を発生させることができ、これらの磁場Ｂの重畳により、少ない電流で大きな磁場を半導体層内に発生させることができる。したがって、磁場Ｂによるスピン方向制御が更に有効になる。なお、第１配線８ａと第２配線８ｂを流れる電流の方向は逆方向であり、磁場の回転の向きも逆となる。また、第１配線８ａには電流源から電流が供給されるが、第２配線８ｂにも図示しない電流源から電流が供給される。
【００５２】
図１３は、第４実施形態に係るスピン伝導素子の平面図、図１４は、スピン伝導素子のＸＩＶ−ＸＩＶ矢印断面図、図１５は、スピン伝導素子のＸＶ−ＸＶ矢印断面図である。
【００５３】
第４実施形態のスピン伝導素子は、第３実施形態のスピン伝導素子と比較すると、第２磁気ヨーク９を更に備え、磁気ヨーク９と配線８ａ，８ｂとの間には絶縁層７ｘ，７ｙがそれぞれ介在している。第４実施形態のスピン伝導素子の構成は、これらの点を除いて、第３実施形態のものと同一である。絶縁層７ｘ，７ｙは、例えばＳｉＯ２やＳｉＮｘなどの無機絶縁体からなる。
【００５４】
本例の磁気ヨーク９は、第１磁気ヨーク９ａと第２磁気ヨーク９ｂを一体化した形状を有している。これらの磁気ヨーク９ａ，９ｂの仮想的境界線を図１５の点線で示す。第１磁気ヨーク９ａの基本形状は、基本的に第２実施形態に示した磁気ヨークと同じであるが、Ｙ軸方向の長さが少し短い。第２磁気ヨーク９ｂの形状は、第１磁気ヨーク９ａの形状と同一であり、これらの磁気ヨーク９ａ，９ｂはＹＺ平面に対して鏡対称の関係にある。
【００５５】
第１磁気ヨーク９ａは第１配線８ａをＸ軸回りに囲んでいるが、第２磁気ヨーク９ｂは第２配線８ｂをＸ軸周りに囲んでいる。第１配線８ａの周囲に発生した磁場Ｂの磁気線が第１磁気ヨーク９ａ内を通ることとなり、第１磁気ヨーク９ａ内における磁束密度は高くなる。また、第２配線８ｂの周囲に発生した磁場の磁気線が第２磁気ヨーク９ｂ内を通ることとなり、第２磁気ヨーク９ｂ内における磁束密度も高くなる。したがって、これらの磁場Ｂの重畳により、効率的に半導体層３Ｃ内に磁場Ｂを形成することができる。なお、第１ヨーク９ａ及び第２磁気ヨーク９ｂは、一体的に形成されているが、分離されていてもよい。
【００５６】
図１６は、第５実施形態に係るスピン伝導素子の平面図、図１７は、スピン伝導素子のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ矢印断面図、図１８は、スピン伝導素子のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ矢印断面図である。
【００５７】
第５実施形態に係るスピン伝導素子は、第１実施形態のスピン伝導素子と比較して、第１配線８ａに代えて、第３配線８ｃを半導体層３Ｃの上方に配置すると共に、第１強磁性層１及び第２強磁性層２の磁化方向Ｄ１，Ｄ２をＸ軸正方向としたものである。絶縁膜７ｃと第３配線８ｃとの間には、表面を平坦化するための被覆層１０が介在しており、第３配線８ｃは、半導体層３Ｃ上に形成された被覆層１０の表面上に形成され、Ｘ軸方向に沿って延びている。これらの点を除いて、第５実施形態にかかるスピン伝導素子の構成は、第１実施形態のものと同一である。被覆層１０は適当な絶縁体からなり、ＳｉＯ２やＳｉＮｘなどの無機絶縁体の他、フォトレジストなどの有機物を用いることも可能である。
【００５８】
第３配線８ｃへは、電流源から電流が供給されるが、この電流はＸ軸に沿って流れる。第３配線８ｃの周囲にＸ軸を囲む磁力線が通る磁場Ｂが発生する。磁化方向Ｄ１，Ｄ２と、磁場Ｂの向きは、半導体層３Ｃ内において直交している。この場合、磁場Ｂの影響によって、第１強磁性層１から第２強磁性層２に向かうスピンの向きが回転し、磁場Ｂに依存して、第２強磁性層２と第２電極５との間の電圧、すなわち出力電圧の大きさが変動する。この電圧は、電圧測定回路によって検出される。
【００５９】
図１９は、第６実施形態に係るスピン伝導素子の平面図、図２０は、スピン伝導素子のＸＸ−ＸＸ矢印断面図、図２１は、スピン伝導素子のＸＸＩ−ＸＸＩ矢印断面図である。
【００６０】
第６実施形態に係るスピン伝導素子は、第５実施形態のスピン伝導素子と比較して、第３配線８ｃ及び被覆層１０のＹ軸方向幅を大きくし、周囲を磁気ヨーク９で囲み、磁気ヨーク９と配線８ｃとの間には絶縁層７ｘを介在させた点が異なり、これらの点を除いて、第６実施形態にかかるスピン伝導素子の構成は、第５実施形態のものと同一である。絶縁層７ｘは、例えばＳｉＯ２やＳｉＮｘなどの無機絶縁体からなる。
【００６１】
磁気ヨーク９の形状は、Ｚ軸方向から見た場合（図１９）は長方形であり、Ｙ軸方向から見た場合（図２０）も長方形であり、Ｘ軸方向から見た場合（図２１）は四角環の一部分を切り取った形状であり、切り取られた部分に半導体層３Ｃが位置する。磁気ヨーク９は、Ｘ軸の周囲を囲んでいるが、この周方向の両端部が、半導体層３Ｃの２側面（ＸＺ平面）にそれぞれ隣接している。換言すれば、本実施形態においても、磁気ヨーク９による磁気回路内に半導体層３Ｃが配置されている。
【００６２】
この構造においても、配線３ｃの両端には電流源が接続され、配線８ｃが延びるＸ軸を囲む磁力線は、効率的に半導体層３Ｃ内に導入され、半導体層３Ｃの内部においても磁場が有効に発生する。したがって、第１強磁性層１から注入されたスピンが、第２強磁性層２に拡散する際に、磁場Ｂによる影響を受けることになる。
【００６３】
上記の実施形態においてＳＯＩ基板を用いた場合、スピンが伝導する半導体層３Ｃに、中間絶縁層３Ｂを介して半導体基板３Ａから、ゲート電圧を印加することが可能である。半導体基板３Ａにゲート電圧を印加すると、中間絶縁層３Ｂを介して、半導体層３Ｃにおけるゲート電位が変化する。これにより、半導体層３Ｃ内におけるスピンの伝導特性が変化し、外部磁場に対する出力変化及び外部磁場に対する感度を変化させることが可能になる。すなわち、ゲート電圧を制御することで、第２強磁性層２側へ到達するスピン又は電子量を制御することができる。ゲート電圧を印加するため、半導体基板３Ａにはゲート電圧印加回路（電圧印加手段：図示せず）を接続し、第１強磁性層１と第２強磁性層２の間の領域において、抵抗値を下げるための不純物を印加しておくことが好ましい。
【００６４】
次に、上述の第１〜第６実施形態における磁化方向について補足説明を行う。
【００６５】
図２３は、強磁性層の縦断面図である。図２３（Ａ）は、第１強磁性層１の詳細な構造を示しており、図２３（Ｂ）は、第２強磁性層２の詳細な構造を示している。第１〜第４実施形態においては、第１強磁性層１の磁化方向Ｄ１と、第２強磁性層２の磁化方向Ｄ２は、Ｙ軸に平行であり、同一方向であって、共に固定されている。磁化方向の固定には、反強磁性層を強磁性層に交換結合させる方法と、強磁性層のＸＹ平面内におけるアスペクト比を高めることで形状異方性を担保する方法とがある。これらの方法は、単独で用いることもできるが、双方を用いることも可能である。これらの手法によれば、第１及び第２強磁性層の磁化方向を有効に固定することができる。第５及び第６実施形態の場合には、Ｘ軸方向に磁化方向が固定されているため、反強磁性層を利用する方法を用いる。
【００６６】
第１強磁性層１の磁化方向の固定に反強磁性層を用いる場合、図２３（Ａ）に示すように、トンネル障壁層７１上に、強磁性層１、反強磁性層１Ｈ、保護膜１Ｐを順次積層し、強磁性層１と反強磁性層１Ｈとは交換結合をさせる。なお、保護膜１Ｐにはコンタクトホールを空けてから、コンタクトホール内に配線層１ｗを形成し、これを反強磁性層１Ｈに接触させる。
【００６７】
第２強磁性層２の磁化方向の固定に反強磁性層を用いる場合、図２３（Ｂ）に示すように、トンネル障壁層７２上に、強磁性層２、反強磁性層２Ｈ、保護膜２Ｐを順次積層し、強磁性層１と反強磁性層１Ｈとは交換結合をさせる。なお、保護膜２Ｐにはコンタクトホールを空けてから、コンタクトホール内に配線層２ｗを形成し、これを反強磁性層２Ｈに接触させる。
【００６８】
形状異方性を利用する場合、第１強磁性層１及び第２強磁性層２において、それぞれのＹ軸方向の寸法をＸ軸方向の寸法よりも長くすることで、磁化方向をＹ軸方向に沿わせることができる。この場合のアスペクト比（Ｙ／Ｘ）は、３以上であることが好ましく、５以上であることが更に好ましい。
【００６９】
上記の強磁性層は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの少なくとも一つを含む金属又はこの金属を含む合金である。強磁性層は、Ｂ、Ｃ、Ｎのうち少なくとも一種類の元素を含み、この元素を化合した化合物とすることもできる。上述の例では、強磁性層はＣｏＦｅである。
【００７０】
上記の反強磁性層の材料としては、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、又はＮｉＭｎ等のＭｎ合金を用いることができる。
【００７１】
上述のスピン伝導素子は、第１及び第２強磁性層に加えて第１及び第２電極を備えており、合計で４つの端子を備えている。この場合、第２強磁性層２の直下においてはスピン蓄積が生じ、この場合は、スピン流のみを利用するスピン伝導素子として機能する。スピン流のみを利用するスピン伝導素子の場合は、磁化方向に関して、以下の場合（Ａ１〜Ａ３）がある。
【００７２】
（Ａ１）磁化方向Ｄ１及びＤ２の双方を固定するが、これらの磁化方向が同一である(平行)場合について説明する。第１強磁性層１の磁化方向Ｄ１と、第２強磁性層２の磁化方向Ｄ２とを共に固定した場合、特定の偏極方向を有するスピン流の第２強磁性層２の直下の領域でのスピン分極率の制御因子は、配線によって形成される外部磁場Ｂである。外部磁場Ｂによって、多くのスピンが回転した場合には、このスピン分極率はスピンの回転した位相と磁場による減衰の関数として出力電圧が減少し、スピンが回転しない場合にはスピン分極率は伝播距離を関数として出力が減衰する。すなわち、配線に流れる電流に依存して、磁場Ｂを変動させ、一時的に出力電圧を一定の値に保持することができる。電子流源から電子が供給される条件と、電流源から電流が磁場形成用の配線に供給されて磁場が発生する条件の組み合わせにより、異なる出力電圧を得ることができ、これらを組み合わせることで演算を行うことも可能である。すなわち、このスピン伝導素子は、演算機能を有することができる。このスピン伝導素子は、書き換え可能な論理素子における揮発なメモリ素子あるいは一時的な書き変えが可能なスピン伝導を利用した演算素子に用いることができる。
【００７３】
（Ａ２）磁化方向Ｄ１及びＤ２の双方を固定するが、これらの磁化方向が反対である(反平行)場合について説明する。第１強磁性層１の磁化方向と第２強磁性層２の磁化方向とを反対に設定する方法も考えられる。この場合、磁場Ｂに応じた出力電圧の論理構造が、上記（Ａ１）の場合と異なるのみであり、上記と同様に、書き換え可能な論理素子における揮発なメモリ素子あるいは一時的な書き変えが可能なスピン伝導を利用した演算素子に用いることができる。
【００７４】
（Ａ３）磁化方向Ｄ１及びＤ２の一方を固定し、他方を固定しない場合について説明する。すなわち、第１強磁性層１の磁化方向Ｄ１を固定しないで、第２強磁性層２の磁化方向Ｄ２を固定する構造も考えられる。この場合、第２強磁性層２の保持力は、第１強磁性層１の保持力よりも大きくなる。保持力の大きさは、上述のように、反強磁性層を用いるか、アスペクト比を高くすることで大きくすることができる。この場合、第２強磁性層２の磁化方向は、第１強磁性層１の磁化方向と比較して、動きにくい。もちろん、第１強磁性層１は、多少の異方性を有しており、単磁区化されており、磁場を印加しない状態においても、磁化方向は緩やかに一定の方向を向く傾向がある。換言すれば、第１強磁性層１の磁化方向を、外部磁場や、スピン注入により変更すると、出力電圧が変わることになり、第１磁性層１の磁化方向を、１つの情報として記憶している。配線による磁場も出力電圧の制御因子である。スピン流の伝達過程において、磁場を印加すると、第２強磁性層２の直下の領域での特定偏極のスピンの分極率が変動するため、磁化方向に加えて、磁場の有無を制御することで、演算機能を有することができる。したがって、このスピン伝導素子は、第１強磁性層１と第２強磁性層２の磁化方向に対応した不揮発なメモリ素子、あるいは書き換え可能な論理素子における揮発なメモリ素子あるいは一時的な書き変えが可能なスピン伝導を利用した演算素子に用いることができる。また、第１強磁性層１の磁化方向を被計測磁場により変動させる場合には、このスピン伝導素子は、被計測磁場の計測センサとしても用いることができ、この場合、配線によって発生する外部磁場Ｂは、出力電圧のオン・オフに用いることができる。
【００７５】
なお、上述の構造において、上記スピン伝導素子を、磁気抵抗効果を利用したスピン伝導素子として機能させることもできる。この場合、上述の４つの端子のうち、使用するのは第１及び第２強磁性層の２端子であり、第１及び第２電極は使用しない。すなわち、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に電子流源を接続してこれらの間に、特定偏極のスピンを有する電子を流すと共に、これらの間に電圧検出装置も接続し、磁気抵抗効果によって変動するこれらの端子間の電圧も計測する。磁気抵抗効果を利用するスピン伝導素子の場合は、磁化方向に関して、以下の場合（Ｂ１〜Ｂ３）がある。
【００７６】
（Ｂ１）磁化方向Ｄ１及びＤ２の双方を固定するが、これらの磁化方向が同一である(平行)場合について説明する。磁場Ｂを印加しない場合には、原則的には、走行中のスピンが回転しないため、特定の偏極スピンを有する電子が、第２強磁性層２に到達した場合には、第１強磁性層１と第２強磁性層１との間の磁気抵抗は小さくなり、電子流量を一定にすると、出力電圧は小さくなる。磁場Ｂを印加すると、スピンが回転するため、磁気抵抗が大きくなり、電子流量を一定にすると、出力電圧が大きくなる。すなわち、配線に流れる電流に依存して、磁場を変動させ、一時的に出力電圧を一定の値に保持することができる。電子流源から電子が供給される条件と、電流源から電流が磁場形成用の配線に供給されて磁場が発生する条件の組み合わせにより、異なる出力電圧を得ることができ、これらを組み合わせることで演算を行うことも可能である。すなわち、このスピン伝導素子は、演算機能を有することができる。このスピン伝導素子は、書き換え可能な論理素子における揮発なメモリ素子あるいは一時的な書き変えが可能なスピン伝導を利用した演算素子に用いることができ、小さい磁場印加で高効率の変化を実現できるという利点がある。
【００７７】
（Ｂ２）磁化方向Ｄ１及びＤ２の双方を固定するが、これらの磁化方向が反対である(反平行)場合について説明する。この場合、磁化方向が同一（平行）な場合と比較して、出力電圧の論理が異なることになる。磁場Ｂを印加しない場合には、原則的には、走行中のスピンが回転しないが、磁化方向Ｄ１，Ｄ２は逆向きのため、特定の偏極スピンを有する電子が、第２強磁性層２に到達した場合には、第１強磁性層１と第２強磁性層１との間の磁気抵抗は大きなままであり、電子流量を一定にすると、出力電圧は大きくなる。磁化方向に垂直な磁場Ｂを印加すると、高い均一性でスピンが回転するため、磁気抵抗が小さくなり、電子流量を一定にすると、出力電圧が小さくなる。すなわち、配線に流れる電流に依存して、磁場Ｂを変動させ、一時的に出力電圧を一定の値に保持することができる。電子流源から電子が供給される条件と、電流源から電流が磁場形成用の配線に供給されて磁場が発生する条件の組み合わせにより、異なる出力電圧を得ることができ、これらを組み合わせることで演算を行うことも可能である。すなわち、このスピン伝導素子は、演算機能を有することができる。このスピン伝導素子は、書き換え可能な論理素子における揮発なメモリ素子あるいは一時的な書き変えが可能なスピン伝導を利用した演算素子に用いることができ、小さい磁場印加で高効率の変化を実現できるという利点がある。
【００７８】
（Ｂ３）磁化方向Ｄ１及びＤ２の一方を固定し、他方を固定しない場合について説明する。
すなわち、第１強磁性層１の磁化方向Ｄ１を固定しないで、第２強磁性層２の磁化方向Ｄ２を固定する場合、第２強磁性層２の保持力は、第１強磁性層１の保持力よりも大きくなる。保持力の大きさは、上述のように、反強磁性層を用いるか、アスペクト比を高くすることで大きくすることができる。この場合、第２強磁性層２の磁化方向は、第１強磁性層１の磁化方向と比較して、動きにくい。もちろん、第１強磁性層１は、多少の異方性を有しており、単磁区化されており、磁場を印加しない状態においても、磁化方向は緩やかに一定の方向を向く傾向がある。換言すれば、第１強磁性層１の磁化方向を、外部磁場や、スピン注入により変更すると、出力電圧が変わることになり、第１磁性層１の磁化方向を、１つの情報として記憶している。配線による磁場Ｂも出力電圧の制御因子である。電子流の伝達過程において、磁場を印加すると、第２強磁性層２の直下の領域への特定偏極のスピンの到達率が変動するため、磁化方向に加えて、磁場の有無を制御することで、演算機能を有することができる。したがって、このスピン伝導素子は、第１強磁性層１と第２強磁性層２の磁化方向に対応した不揮発なメモリ素子、あるいは書き換え可能な論理素子における揮発なメモリ素子あるいは一時的な書き変えが可能なスピン伝導を利用した演算素子に用いることができる。また、第１強磁性層１の磁化方向を被計測磁場により変動させる場合には、このスピン伝導素子は、被計測磁場の計測センサとしても用いることができ、この場合、配線によって発生する外部磁場Ｂは、出力電圧のオン・オフに用いることができる。
【００７９】
次に、上述のスピン伝導素子の製造方法について説明する。
【００８０】
（第１実施形態の場合）
【００８１】
まず、Ｓｉからなる半導体基板上にＡｌ２Ｏ３からなる中間絶縁層及びＳｉからなる半導体層を堆積してなるＳＯＩ基板を用意し、半導体層表面のクリーニングを行い、表面の不純物及び酸化物を除去する。次に、半導体層の表面から不純物を添加し、半導体層の表層の不純物濃度を増加させ、表層における電子状態を変更する。不純物添加には、イオン注入法を用いることができるが、不純物としては、ＰやＳｂを採用することができる。
【００８２】
ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法を用いて、半導体層の表面に、厚さ１ｎｍ程度のトンネル障壁層としての絶縁膜（ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３又はＭｇＡｌ２Ｏ４）を形成し、続いて、スパッタ法により、トンネル障壁層上に強磁性層を形成する。強磁性層としては、例えばＦｅを用い、その上に、スパッタ法により、Ｒｕ層及びＴａ層を順次堆積して、これらの層からハードマスクを形成する。なお、ハードマスクの形成前に、強磁性層上に上述の反強磁性層を堆積することとしてもよい。磁化方向の固定のために、必要に応じて熱と磁場を強磁性層に印加することができる。次に、フォトレジストをハードマスク上に塗布し、フォトリソグラフィを用いて、長方形のチャネル領域が残留するように、チャネル領域周囲のハードマスクをイオンミリング又はドライエッチングして除去する。
【００８３】
しかる後、このハードマスクを用いて、Ｓｉからなる半導体層を中間絶縁層に到達するまでエッチングする。このエッチングには、ウエットエッチング又は反応性ドライエッチング（ＲＩＥ）などのドライエッチングを用いることができる。
【００８４】
次に、イオンミリングを用いてハードマスクを除去し、強磁性層を露出させる。露出した強磁性層の表面にネガ型の電子線レジストを塗布し、このレジスト表面を電子線でＹ軸に平行に２箇所走査し、一対の細長い露光パターンを形成し、現像処理を行うことで、細長いレジストパターンを残留させる。このレジストパターンをマスクとして、強磁性層を半導体層の表面が露出するまでイオンミリングして、レジストパターンと同一形状の第１強磁性層及び第２強磁性層を画成する。
【００８５】
次に、露出した半導体層の表面に絶縁膜を形成する。この絶縁膜は、シリコン酸化膜からなり、ＳｉＯ２からなる半導体層の両側面及び上面を被覆する。この絶縁膜の形成にはスパッタ法を用いることができるが、Ｓｉの熱酸化を用いることも可能である。更に、この絶縁膜上に、２箇所が開口したレジストパターンを、フォトリソグラフィによって形成し、開口内に露出した絶縁膜をフッ酸水溶液等を用いたウエットエッチング又は、ドライエッチングを用いて除去し、半導体層の表面を露出させる。一対の開口内に露出した半導体層の表面上に上述の第１電極及び第２電極を堆積させる。それぞれの第１電極及び第２電極は、界面抵抗の小さなＡｌ層を用いることができる。
【００８６】
しかる後、半導体層の側面上に上記絶縁膜を介して第１配線を形成する。第１配線は、この配線の形成予定領域が開口したレジストパターンをフォトリソグラフィにより形成し、開口内に第１配線を埋め込むことによって形成する。第１配線の材料としてはＣｕなどの金属を用いることができ、埋め込み形成の方法としては、メッキ法やスパッタ法を用いることができる。
【００８７】
なお、ＳＯＩ基板を用いた場合には、半導体層の厚みが大きいことによる影響を抑制することができるという効果があるが、かかる効果を期待しない場合には、最初に用意する基板はＳＯＩ基板でなく、Ｓｉ基板であってもよい。また、素子又は基板全体を囲む磁気シールドを必要に応じて形成することも可能である。
（第２実施形態の場合）
【００８８】
第２実施形態のスピン伝導素子は、第１実施形態のスピン伝導素子に磁気ヨークを形成したものである。したがって、第２実施形態のスピン伝導素子の製造方法は、第１配線の形成工程までは、第１実施形態の場合の製造方法と同一であり、この工程の後、磁気ヨークを形成する点のみが異なる。
【００８９】
磁気ヨークの前に、磁気ヨークと配線との絶縁をとるため、図９に示した絶縁層７ｘを形成しておく。この絶縁層の形成においては、形成予定領域が開口したレジストパターンをフォトリソグラフィにより形成し、開口内に絶縁層をスパッタ法で堆積する。なお、図９においては、必要な箇所のみに絶縁層７ｘが形成されているが、磁気ヨークの形成前においては全面に絶縁層を形成していてもよい。
【００９０】
この絶縁層の形成後、磁気ヨークの形成予定領域が開口したレジストパターンをフォトリソグラフィにより形成し、開口内に磁気ヨークを堆積する。この堆積には、スパッタ法を用いることができる。或いは、磁気ヨークの形成予定領域のみにレジストパターンをフォトリソグラフィにより形成し、その周囲の表面をＳｉＯ２などの絶縁層で被覆した後、レジストパターンを除去し、除去した後に現れた開口内に、スパッタ法で磁気ヨーク材料を堆積し、その露出表面側から化学機械研磨を行うことで、表面を平坦化する方法を採用することもできる。この場合、磁気ヨークの周囲は絶縁層で囲まれることになる。なお、第２実施形態の場合は、磁気ヨークの形成予定領域のＹ軸方向の端部の一方が半導体層上に位置し他方が半導体層の外側に位置している。また、第１実施形態と同様に、ＳＯＩ基板に代えてＳｉ基板を用いたり、素子又は基板全体を囲む磁気シールドを必要に応じて形成することも可能である。
【００９１】
（第３実施形態の場合）
【００９２】
第２実施形態のスピン伝導素子は、第１実施形態のスピン伝導素子において配線数が１本から２本に増加したものである。したがって、第３実施形態のスピン伝導素子の製造方法は、第１配線８ａの形成工程において、これと同一の工程で、第２配線８ｂを形成する点のみが第１実施形態の場合と相違し、残りの工程は同一である。また、第１実施形態と同様に、ＳＯＩ基板に代えてＳｉ基板を用いたり、素子又は基板全体を囲む磁気シールドを必要に応じて形成することも可能である。
（第４実施形態の場合）
【００９３】
第４実施形態のスピン伝導素子は、第３実施形態のスピン伝導素子において、磁気ヨークを形成したものである。したがって、第４実施形態のスピン伝導素子の製造方法は、第１配線及び第２配線の形成工程までは、第３実施形態の場合の製造方法と同一であり、この工程の後、磁気ヨークを形成する点のみが異なり、残りの工程は同一である。磁気ヨークの形成工程は、その形状を除いて、第２実施形態の場合と同一であり、形成前には絶縁をとるための絶縁層７ｘ、７ｙを、第２実施形態と同様に形成する。第２実施形態の場合は、磁気ヨークの形成予定領域のＹ軸方向の端部の一方が半導体層上に位置し他方が半導体層の外側に位置していたが、第３実施形態では、双方の端部が半導体層の外側に位置している。また、第１実施形態と同様に、ＳＯＩ基板に代えてＳｉ基板を用いたり、素子又は基板全体を囲む磁気シールドを必要に応じて形成することも可能である。
（第５実施形態の場合）
【００９４】
第５実施形態のスピン伝導素子は、第１実施形態のスピン伝導素子において配線の位置を半導体層の上部に変更したものである。したがって、第５実施形態のスピン伝導素子の製造方法は、第１配線８ａの形成工程において、その形成位置を、第３配線８ｃの形成位置に変更した点のみが第１実施形態の場合と相違し、残りの工程は同一である。もちろん、形成前に、半導体層上部の絶縁膜上に、被覆層１０をスパッタ法で形成しておき、第３配線８ｃは、この上に形成する（図１７参照）。第３配線８ｃを形成する場合のエッチングにおいては、そのレジストを用いて被覆層１０もエッチングする。また、第１実施形態と同様に、ＳＯＩ基板に代えてＳｉ基板を用いたり、素子又は基板全体を囲む磁気シールドを必要に応じて形成することも可能である。
（第６実施形態の場合）
【００９５】
第６実施形態のスピン伝導素子は、第５実施形態のスピン伝導素子において配線の寸法を変更し、磁気ヨークを設けたものである。したがって、第５実施形態のスピン伝導素子の製造方法は、第３配線の形成工程までは、そのＹ軸寸法を広げた点を除いて、第５実施形態の場合の製造方法と同一であり、この工程の後、磁気ヨークを形成する点のみが異なり、残りの工程は同一である。磁気ヨークの形成工程は、その形状を除いて、第２実施形態の場合と同一であり、形成前には絶縁をとるための絶縁層７ｘを、第２実施形態と同様に形成する。第２実施形態の場合は、磁気ヨークの形成予定領域のＹ軸方向の端部の一方が半導体層上に位置し他方が半導体層の外側に位置していたが、第３実施形態では、双方の端部が半導体層の外側に位置している。また、半導体層の側方に隣接する磁気ヨーク下部領域（半導体層側の領域）をパターニング形成した後に、この上に、ＹＺ断面が逆Ｕ文字型の磁気ヨークを形成してもよい。また、第１実施形態と同様に、ＳＯＩ基板に代えてＳｉ基板を用いたり、素子又は基板全体を囲む磁気シールドを必要に応じて形成することも可能である。なお、磁気抵抗効果を用いたスピン伝導素子の場合には、第１電極及び第２電極は形成するには及ばない。
【００９６】
以上、説明したように、本発明のスピン伝導デバイスは、第１強磁性層１と第２強磁性層の磁化方向に対応した不揮発なメモリ素子、あるいは書き換え可能な論理素子における揮発なメモリ素子あるいは一時的な書き変えが可能なスピン伝導を利用した演算素子に利用することができる。そして、このように磁化情報が改変するという性質を積極的に利用すれば、外部磁場をスピン伝導経路に印加することによって、スピンの有する磁化情報を伝播中に変調或いは消去することが可能である。また、十分なスピン寿命と電極間距離があれば、スピンの回転振動を利用したデータの書き換えも可能である。なお、不要な磁場が半導体層３Ｃ内に発生しないようにするには、チャネルとしてのスピン伝導経路の周囲に磁気シールドを形成すればよい。
【００９７】
なお、強磁性層の磁化方向は、上述のように、スピン流のみを用いる非局所配置の場合であっても、磁気抵抗効果を用いる場合であっても、どのような向きであっても使用することが可能であり、前者の非局所配置の場合には、磁化方向を平行とする場合と、反平行とする場合において、出力結果に差は生じないが、製造段階においては、同一方向に磁場をかけて強磁性層を加熱することで、磁化方向を平行とする方が容易であるため、第１及び第２強磁性層の磁化方向は平行であることが好ましい。一方、後者の磁気抵抗効果を用いる配置の場合には、第１及び第２強磁性層の磁化方向を反平行とした方が、平行とした場合よりも、大きな出力を得ることができるので、好ましい。
【符号の説明】
【００９８】
３Ａ・・・半導体基板、３Ｂ・・・中間絶縁層、３Ｃ・・・半導体層、８ａ，８ｂ，８ｃ・・・磁場発生用の配線、Ｉ・・・電流源、Ｅ・・・電子流源、Ｖ・・・電圧測定回路、７ａ，７ｂ，７ｃ・・・絶縁膜、７１，７２・・・トンネル障壁層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層と、
前記半導体層上に第１トンネル障壁層を介して設けられた第１強磁性層と、
前記半導体層上に、前記第１強磁性層から離間し、第２トンネル障壁層を介して設けられた第２強磁性層と、
電流が供給されることにより、前記半導体層における、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に領域内に、磁場を発生させる第1配線と、
を備えることを特徴とするスピン伝導素子。
【請求項２】
前記第１強磁性層の磁化方向と前記第２強磁性層の磁化方向とは反平行であり、
前記磁場の方向は、前記第１又は第２強磁性層の磁化方向に対して垂直である、
ことを特徴とする請求項１に記載のスピン伝導素子。
【請求項３】
前記半導体層上の前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間の領域の外側であって、前記第１強磁性層側に設けられた第１電極と、
前記半導体層上の前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間の領域の外側であって、前記第２強磁性層側に設けられた第２電極と、
前記第１強磁性層と前記第１電極との間に電子を流す電子流源と、
前記第２強磁性層と前記第２電極との間の電圧を測定する電圧測定手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のスピン伝導素子。
【請求項４】
前記第１強磁性層の磁化方向と前記第２強磁性層の磁化方向とは平行であり、
前記磁場の方向は、前記第１又は第２強磁性層の磁化方向に対して垂直である、
ことを特徴とする請求項３に記載のスピン伝導素子。
【請求項５】
前記第１配線を囲む第１磁気ヨークを更に備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のスピン伝導素子。
【請求項６】
前記第１配線と共に前記半導体層を挟む位置に配置され、電流が供給されることにより、前記半導体層における、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に領域内に、磁場を発生させる第２配線を、更に備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のスピン伝導素子。
【請求項７】
前記第２配線を囲む第２磁気ヨークを更に備えることを特徴とする請求項６に記載のスピン伝導素子。
【請求項８】
前記第１及び第２トンネル障壁層は、絶縁膜又はショットキ障壁から構成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のスピン伝導素子。
【請求項９】
前記絶縁膜は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、又は、ＭｇＡｌ２Ｏ４からなることを特徴とする請求項８に記載のスピン伝導素子。
【請求項１０】
前記第２強磁性層の保持力は、前記第１強磁性層の保持力よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか1項に記載のスピン伝導素子。
【請求項１１】
前記第２強磁性層に交換結合した反強磁性層を更に備えること、及び／又は、前記第２強磁性層が形状異方性を備えることにより、前記第２強磁性層の磁化方向が固定されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか1項に記載のスピン伝導素子。
【請求項１２】
前記半導体層が中間絶縁層を介して形成される半導体基板と、
前記半導体基板にゲート電圧を印加する電圧印加手段と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のスピン伝導素子。
【請求項１】
半導体層と、
前記半導体層上に第１トンネル障壁層を介して設けられた第１強磁性層と、
前記半導体層上に、前記第１強磁性層から離間し、第２トンネル障壁層を介して設けられた第２強磁性層と、
電流が供給されることにより、前記半導体層における、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に領域内に、磁場を発生させる第1配線と、
を備えることを特徴とするスピン伝導素子。
【請求項２】
前記第１強磁性層の磁化方向と前記第２強磁性層の磁化方向とは反平行であり、
前記磁場の方向は、前記第１又は第２強磁性層の磁化方向に対して垂直である、
ことを特徴とする請求項１に記載のスピン伝導素子。
【請求項３】
前記半導体層上の前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間の領域の外側であって、前記第１強磁性層側に設けられた第１電極と、
前記半導体層上の前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間の領域の外側であって、前記第２強磁性層側に設けられた第２電極と、
前記第１強磁性層と前記第１電極との間に電子を流す電子流源と、
前記第２強磁性層と前記第２電極との間の電圧を測定する電圧測定手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のスピン伝導素子。
【請求項４】
前記第１強磁性層の磁化方向と前記第２強磁性層の磁化方向とは平行であり、
前記磁場の方向は、前記第１又は第２強磁性層の磁化方向に対して垂直である、
ことを特徴とする請求項３に記載のスピン伝導素子。
【請求項５】
前記第１配線を囲む第１磁気ヨークを更に備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のスピン伝導素子。
【請求項６】
前記第１配線と共に前記半導体層を挟む位置に配置され、電流が供給されることにより、前記半導体層における、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に領域内に、磁場を発生させる第２配線を、更に備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のスピン伝導素子。
【請求項７】
前記第２配線を囲む第２磁気ヨークを更に備えることを特徴とする請求項６に記載のスピン伝導素子。
【請求項８】
前記第１及び第２トンネル障壁層は、絶縁膜又はショットキ障壁から構成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のスピン伝導素子。
【請求項９】
前記絶縁膜は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、又は、ＭｇＡｌ２Ｏ４からなることを特徴とする請求項８に記載のスピン伝導素子。
【請求項１０】
前記第２強磁性層の保持力は、前記第１強磁性層の保持力よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか1項に記載のスピン伝導素子。
【請求項１１】
前記第２強磁性層に交換結合した反強磁性層を更に備えること、及び／又は、前記第２強磁性層が形状異方性を備えることにより、前記第２強磁性層の磁化方向が固定されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか1項に記載のスピン伝導素子。
【請求項１２】
前記半導体層が中間絶縁層を介して形成される半導体基板と、
前記半導体基板にゲート電圧を印加する電圧印加手段と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のスピン伝導素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
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【図２０】
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【図２２】
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【公開番号】特開２０１２−１５１３０７（Ｐ２０１２−１５１３０７Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９２３４（Ｐ２０１１−９２３４）
【出願日】平成２３年１月１９日（２０１１．１．１９）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１９日（２０１１．１．１９）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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