スピン伝導素子
【課題】出力を向上可能なスピン伝導素子を提供する。
【解決手段】 このスピン伝導素子は、半導体層３と、半導体層３上に第１トンネル障壁層５Ａを介して設けられた第１強磁性層１と、半導体層３上に、第１強磁性層１から離間し、且つ、第２トンネル障壁層５Ｂを介して設けられた第２強磁性層２と、を備え、半導体層３は、第１強磁性層１からその厚み方向に垂直な方向に沿って、第１強磁性層１から離れる方向へ広がる第１領域Ｒ１と、第１強磁性層１からその厚み方向に垂直な方向に沿って、第２強磁性層２に向かう方向に延びており、第１領域Ｒ１の不純物濃度よりも相対的に高い不純物濃度を有する第２領域Ｒ１２と、を備えている。
【解決手段】 このスピン伝導素子は、半導体層３と、半導体層３上に第１トンネル障壁層５Ａを介して設けられた第１強磁性層１と、半導体層３上に、第１強磁性層１から離間し、且つ、第２トンネル障壁層５Ｂを介して設けられた第２強磁性層２と、を備え、半導体層３は、第１強磁性層１からその厚み方向に垂直な方向に沿って、第１強磁性層１から離れる方向へ広がる第１領域Ｒ１と、第１強磁性層１からその厚み方向に垂直な方向に沿って、第２強磁性層２に向かう方向に延びており、第１領域Ｒ１の不純物濃度よりも相対的に高い不純物濃度を有する第２領域Ｒ１２と、を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体内へ導入されるスピンを利用したスピン伝導素子に関わる。
【背景技術】
【０００２】
最近、半導体、特にシリコン（Ｓｉ）におけるスピン伝導の現象が、多くの注目を集めている。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。このような半導体スピン伝導素子として、例えば、Ｓｐｉｎ−ＭＯＳＦＥＴが挙げられる。半導体スピン伝導素子には、電流及びスピン流の双方を用いるもの（磁気抵抗効果型）と、スピン流のみを用いるもの（非局所構造型）がある。
【０００３】
非局所構造型の半導体スピン伝導素子では、電流とスピン流の流れる経路が異なり、スピン流自体は電荷を持たずこれによる電圧を生じさせないため、高いＳ／Ｎの出力を得ることが期待される。しかしながら、非局所構造型の半導体スピン伝導素子の場合、一般的に出力が小さいという課題がある。出力を増大させるため、本願の発明者らは、半導体内の不純物濃度を調整する方法などを考えてきた（特許文献１参照）。この方法では、半導体の表面付近のみに高濃度の不純物を添加することで、界面抵抗を低下させ、出力向上をさせるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２８７６６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非局所構造型のスピン伝導素子においては、更なる出力向上が期待されている。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、出力を向上可能なスピン伝導素子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】
【０００６】
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、且つ、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、を備え、前記半導体層は、前記第１強磁性層からその厚み方向に垂直な方向に沿って、前記第１強磁性層から離れる方向へ広がる第１領域と、前記第１強磁性層からその厚み方向に垂直な方向に沿って、前記第２強磁性層に向かう方向に延びており、前記第１領域の不純物濃度よりも相対的に高い不純物濃度を有する第２領域とを備えることを特徴とする。
【０００７】
第１強磁性層から第１トンネル障壁層を介して半導体層内に注入されたスピンは、不純物濃度が高い領域の方向へ、より高い確率で拡散する。すなわち、第２領域は、第１強磁性層から第２強磁性層に向かう方向に延びているので、この方向の半導体領域のスピン抵抗が下がり、スピン流の多くの量は、第２強磁性層方向に流れることなる。第２強磁性層にスピン流が至ることにより発生する出力は、スピン流の大きさに依存するため、このスピン伝導素子では、出力を向上させることが可能となる。
【０００８】
前記第２領域は、前記半導体層における、前記第１及び第２強磁性層の直下の領域を含むことを特徴とする。
【０００９】
この場合、これらの直下の領域においてもスピン抵抗が低下し、スピン流が流れやすくなるため、第２強磁性層に至るスピン流が増加し、出力を向上させることができる。
【００１０】
また、本発明に係るスピン伝導素子は、前記半導体層上における、前記第１及び第２強磁性層間の領域の外側の領域に設けられた第１参照電極と、前記半導体層上における前記外側の領域に設けられた第２参照電極と、前記第１強磁性層と前記第１参照電極との間に接続される電子流源と、前記第２強磁性層と前記第２参照電極との間に接続される電圧検出回路と、を備え、前記第１強磁性層と前記第１参照電極との間に、前記第１領域が位置していることを特徴とする。
【００１１】
この場合、電子流源から電子が供給されると、第１強磁性層における第１トンネル障壁層の下の半導体内からスピン流が拡散する。スピン流は、第２強磁性層方向に流れ、この量に依存して、第２強磁性層と第２参照電極との間に電圧が発生する。電圧検出回路は、この電圧を、スピン伝導素子の出力として検出することができる。
【００１２】
前記第１領域における不純物濃度は１×１０１３／ｃｍ３以上１×１０１８／ｃｍ３未満であり、前記第２領域における不純物濃度は１×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下であることを特徴とする。
【００１３】
第２領域における不純物濃度は、第１領域の不純物濃度よりも高いが、これらの不純物濃度が上述の範囲にある場合、第２領域へのスピン流の流れ込みが大きくなるという効果がある。
【００１４】
前記第１及び第２トンネル障壁層は、それぞれＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｎＯ、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。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のスピン伝導素子によれば、不純物濃度差により、出力方向の領域においてスピン流を偏在させることができるので、出力を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】スピン伝導素子の斜視図である。
【図２】図１に示したスピン伝導素子のＩＩ−ＩＩ矢印線に沿った断面構成を示す図である。
【図３】図１に示したスピン伝導素子のＩＩＩ−ＩＩＩ矢印線に沿った断面構成を示す図である。
【図４】図１に示したスピン伝導素子のＩＶ−ＩＶ矢印線に沿った断面構成を示す図である。
【図５】図２とは異なる不純物濃度分布を有するスピン伝導素子の断面構成を示す図である。
【図６】更に異なる不純物濃度分布を有するスピン伝導素子の断面構成を示す図である。
【図７】更に異なる不純物濃度分布を有するスピン伝導素子の断面構成を示す図である。
【図８】更に異なる不純物濃度分布を有するスピン伝導素子の断面構成を示す図である。
【図９】別の構造のスピン伝導素子の斜視図である。
【図１０】更に別の構造のスピン伝導素子の斜視図である。
【図１１】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子中間体の斜視図である。
【図１２】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子中間体の斜視図である。
【図１３】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子中間体の斜視図である。
【図１４】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子中間体の斜視図である。
【図１５】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子中間体の斜視図である。
【図１６】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子中間体の斜視図である。
【図１７】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子中間体の斜視図である。
【図１８】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子中間体の斜視図である。
【図１９】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子中間体の斜視図である。
【図２０】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子中間体の斜視図である。
【図２１】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子中間体の斜視図である。
【図２２】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子中間体の斜視図である。
【図２３】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子の斜視図である。
【図２４】スピン伝導素子を用いた磁気ヘッド（磁気センサ）を示す図である。
【図２５】スピン伝導素子を用いたスピントランジスタを示す図である。
【図２６】強磁性層周辺の詳細断面構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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、重複する符号は省略する。
【００１８】
図１はスピン伝導素子の斜視図、図２は図１に示したスピン伝導素子のＩＩ−ＩＩ矢印線に沿った断面構成を示す図である。
【００１９】
ベース基板１０Ａ上には、絶縁層４（厚さ２００ｎｍ）が設けられている。絶縁層４上には、直方体或いは四角錐台形状の半導体層３が設けられている。半導体層３は、ＸＹＺ三次元直交座標系において、Ｙ軸方向を長手方向とし、Ｘ軸方向を短手方向とし、Ｚ軸方向を厚み方向としている。半導体層３は、スピンが伝導し拡散するチャンネルとして機能する。半導体層３上には、第１強磁性層１、第２強磁性層２、第１参照電極１Ｍ、及び第２参照電極２Ｍが形成されている。第１強磁性層１、第２強磁性層２、第１参照電極１Ｍ、第２参照電極２Ｍ上には、それぞれ配線Ｗ１、Ｗ２、Ｗ１Ｍ、Ｗ２Ｍが設けられている。
【００２０】
第１強磁性層１及び第２強磁性層２の長手方向は、共にＸ軸方向であり、これらの磁化方向は、例えば、共にＸ軸の正方向に向いている（平行）。もちろん、これらの磁化方向を逆方向に設定する（反平行）こともできる。このようなスピン伝導素子は、伝播中のスピン流が受ける磁場を、出力側の電圧として間接的に検出することで、好適には磁気センサとして利用することができる。また、磁場、磁壁移動、あるいはスピン流によるトルクの効果によって、第１強磁性層１及び第２強磁性層２の磁化方向を任意に変化させることができる。これによって、メモリや演算機能を持たせることもできる。
【００２１】
絶縁層４上には、電極パッドＰ１、Ｐ２、Ｐ１Ｍ、Ｐ２Ｍが設けられている。それぞれの電極パッドＰ１、Ｐ２、Ｐ１Ｍ、Ｐ２Ｍには、配線Ｗ１、Ｗ２、Ｗ１Ｍ、Ｗ２Ｍが電気的に接続されている。
【００２２】
電極パッドＰ１と電極パッドＰ１Ｍとの間には、電子流源Ｅが接続され（図２参照）、配線Ｗ１，Ｗ１Ｍ間にバイアス電圧が印加される。これにより、第１強磁性層１内に電子流源Ｅから電子が注入され、第１強磁性層１の下に位置する第１トンネル障壁層５Ａを透過した電子は、半導体層３内に導入される。このときの電子は、第１強磁性層１内の磁化方向に依存した偏極スピンを有している。半導体層３の内部に形成された内部電界にしたがって、注入された電子は、第１強磁性層１から半導体層３内を通り、第１参照電極１Ｍ内に流れる。
【００２３】
一方、第１強磁性層１の直下の半導体層３内の領域から、スピンも拡散する。このスピンの拡散する方向は、半導体層３内のスピン抵抗ＲＮに依存する。スピンは第１参照電極１Ｍに向けた＋Ｙ方向（矢印Ｓｐ１で示す）と、第２強磁性層２に向けた−Ｙ方向（矢印Ｓｐ２で示す）の双方に拡散する。あるスピンの向きを有するスピン流が、第２強磁性層２方向に拡散すると、これと第２参照電極２Ｍとの間に電圧が発生する。第２強磁性層２と半導体層３との間には、第２トンネル障壁層５Ｂが介在しており、スピン流が直接的に第２強磁性層２に吸収されない構成になっている。スピンの拡散中に外部磁場の影響を受けて、スピンの向きが回転する場合、スピンの向きの第２強磁性層２の磁化方向との一致度に依存して、検出される電圧が変動する。
【００２４】
電極パッドＰ２と電極パッドＰ２Ｍとの間には、電圧検出回路Ｖが接続されている（図２参照）、電圧検出回路Ｖによって配線Ｗ２，Ｗ２Ｍ間の電圧、すなわち第２強磁性層２と第２参照電極２Ｍとの間の電圧が検出される。
【００２５】
ここで、半導体層３には、第１強磁性層１を通るＸＺ平面を基準として、非対称に不純物（ドーパント）が添加されている。すなわち、半導体層３は、第１強磁性層１からその厚み方向に垂直な方向に沿って、これから離れる方向へ広がる第１領域Ｒ１と、第１強磁性層１からその厚み方向に垂直な方向に沿って、第２強磁性層２に向かう方向に延びており、第１領域Ｒ１の不純物濃度よりも相対的に高い不純物濃度を有する第２領域Ｒ１２とを備えている。第２領域Ｒ１２においては、不純物濃度が相対的に高いため、スピン抵抗ＲＮが小さくなり、拡散するスピン流のうちの大きな割合のものが、第２領域Ｒ１２を流れることとなる。
【００２６】
なお、スピン抵抗ＲＮは以下の式で与えられる。
ＲＮ＝（Ｐ２λＮρ）／Ａ
【００２７】
Ｐはスピンの注入・検出効率、λＮは半導体内のスピン拡散長、ρはスピン流の流れる半導体の電気抵抗率、Ａはスピン流の流れる方向に垂直な半導体断面積である。不純物濃度が高くなると、ρが小さくなるため、ＲＮは小さくなる。
【００２８】
第１強磁性層１から第１トンネル障壁層５Ａを介して半導体層３内に注入されたスピンは、不純物濃度が高い領域の方向へ、より高い確率で拡散する。すなわち、第２領域Ｒ１２は、第１強磁性層１から第２強磁性層２に向かう方向に延びているので、この方向の半導体領域のスピン抵抗ＲＮが下がり、スピン流の多くの量は、第２強磁性層２の方向に流れることなる。第２強磁性層２にスピン流が至ることにより発生する出力は、スピン流の大きさに依存するため、このスピン伝導素子では、出力を向上させることが可能となる。
【００２９】
図１及び図２に示した第１領域Ｒ１は、不純物添加前の半導体層３の部分であり、面内方向においては、Ｙ軸方向に関しては、第１強磁性層１における第２強磁性層２側のエッジから＋Ｙ方向に広がり、第１参照電極１Ｍのエッジまで広がっている。幅方向に関しては、第１領域Ｒ１は、第１強磁性層１及び第１参照電極１Ｍの幅方向（Ｘ軸方向）の寸法を含むように広がっている。また、厚み方向に関しては、第１領域Ｒ１は、絶縁層４に到達するまで広がっている。
【００３０】
第２領域Ｒ１２は、第１領域Ｒ１とは逆側に広がっている。図１及び図２に示した第２領域Ｒ１２は、面内方向においては、Ｙ軸方向に関しては、第１強磁性層１における第２強磁性層２側のエッジから広がり、第２強磁性層２のエッジまで広がっている。幅方向に関しては、第２領域Ｒ１２は、第１及び第２強磁性層１，２の幅方向（Ｘ軸方向）の寸法を含むように広がっている。また、厚み方向に関しては、第２領域Ｒ１２は、絶縁層４に到達するまで広がっている。
【００３１】
なお、非対称の不純物分布は、これらの第１及び第２領域Ｒ１、Ｒ１２があれば十分であるが、実施形態においては、更に不純物分布がある。
【００３２】
第２領域Ｒ１２よりも第２参照電極２Ｍ側に広がる半導体領域Ｒ２は、不純物添加前の半導体層３の部分であり、第１領域Ｒ１と同様に低不純物濃度である。図１及び図２に示した半導体領域Ｒ２は、面内方向においては、Ｙ軸方向に関しては、第２強磁性層２における第１強磁性層１側のエッジから−Ｙ方向に広がり、第２参照電極２Ｍのエッジまで広がっている。幅方向に関しては、半導体領域Ｒ２は、第２強磁性層２及び第２参照電極２Ｍの幅方向（Ｘ軸方向）の寸法を含むように広がっている。また、厚み方向に関しては、半導体領域Ｒ２は、絶縁層４に到達するまで広がっている。
【００３３】
実施形態においては、第１参照電極１Ｍ及び第２参照電極２Ｍの直下の領域においても、第２領域Ｒ１２と同様に不純物が添加され、それぞれ半導体領域Ｒ１Ｍ，Ｒ２Ｍを構成している。図１及び図２に示した半導体領域Ｒ１Ｍ，Ｒ２Ｍは、面内方向においては、それぞれ、第１参照電極１Ｍ及び第２参照電極２Ｍの直下の領域に位置している。また、厚み方向に関しては、半導体領域Ｒ１Ｍ，Ｒ２Ｍは、絶縁層４に到達するまで広がっている。
【００３４】
電極直下の領域Ｒ１Ｍ，Ｒ２Ｍにおいて、不純物濃度が比較的高い場合、これらの領域において、電気抵抗が比較的低くなる。この場合、半導体層３と参照電極１Ｍ．２Ｍとが電気的に整合されやすくなる。
【００３５】
半導体層３内における上述の各領域は、全て同一の導電型を有している。半導体層３をＰ型とする場合の不純物として、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎなどが挙げられ、半導体層３をＮ型とする場合の不純物として、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂなどが挙げられる。
【００３６】
半導体層３の露出した側面上には、第１絶縁膜（酸化膜：ＳｉＯ２）ＩＳ１が形成されており、当該側面が保護されている。また、第１絶縁膜１ＩＳＳ及び半導体層３の露出表面上には、更に、保護膜としての第２絶縁膜（酸化膜：ＳｉＯ２）ＩＳ２が形成されている。
【００３７】
図３は、図１に示したスピン伝導素子のＩＩＩ−ＩＩＩ矢印線に沿った断面構成を示す図である。この断面は、参照電極を通るＸＺ断面である。第１参照電極１Ｍの直下の領域には、不純物が添加された半導体領域Ｒ１Ｍが存在している。また、配線Ｗ１Ｍは、電極１Ｍに接触し電気的に接続されると共に、第２絶縁膜ＩＳ２上を這って、電極パッドＰ１Ｍまで延びている。第２絶縁膜ＩＳ２は、この上を通る配線Ｗ１Ｍと半導体層３との不要な接触を防止している。
【００３８】
図３は、第１参照電極１Ｍを通る断面構造を示しているが、第２参照電極２Ｍを通る断面構造もこれと同一である。
【００３９】
すなわち、第２参照電極２Ｍの直下の領域には、不純物が添加された半導体領域Ｒ２Ｍが存在し、配線Ｗ２Ｍは、電極２Ｍに接触し電気的に接続されると共に、第２絶縁膜ＩＳ２上を這って、電極パッドＰ２Ｍまで延びている。第２絶縁膜ＩＳ２は、この上を通る配線Ｗ２Ｍと半導体層３との不要な接触を防止している。
【００４０】
図４は、図１に示したスピン伝導素子のＩＶ−ＩＶ矢印線に沿った断面構成を示す図である。この断面は、強磁性層を通るＸＺ断面である。第１強磁性層１の直下の領域には、不純物が添加されていない半導体領域Ｒ１が存在している。また、配線Ｗ１は、第１強磁性層１に接触し電気的に接続されると共に、第２絶縁膜ＩＳ２上を這って、電極パッドＰ１まで延びている。第２絶縁膜ＩＳ２は、この上を通る配線Ｗ１と半導体層３との不要な接触を防止している。
【００４１】
図４は、第１強磁性層１を通る断面構造を示しているが、第２強磁性層２を通る断面構造もこれと同一である。
【００４２】
すなわち、第２強磁性層２の直下の領域には、不純物が添加されていない半導体領域Ｒ２が存在している。また、配線Ｗ２は、第２強磁性層２に接触し電気的に接続されると共に、第２絶縁膜ＩＳ２上を這って、電極パッドＰ２まで延びている。第２絶縁膜ＩＳ２は、この上を通る配線Ｗ２と半導体層３との不要な接触を防止している。
【００４３】
ここで、第１領域Ｒ１における不純物濃度は１×１０１３／ｃｍ３以上１×１０１８／ｃｍ３未満であり、第２領域Ｒ１２における不純物濃度はＰの場合において１×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下であることが好ましい。不純物濃度の条件はそれぞれの不純物に依存して決定される。第２領域Ｒ１２における不純物濃度は、第１領域Ｒ１の不純物濃度よりも高いが、これらの不純物濃度が上述の範囲にある場合には、半導体のショットキー障壁の影響が小さいため低抵抗であり、高出力が得られるという効果がある。また、第２領域へのスピン流の流れ込みが大きくなるという効果もある。
【００４４】
第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に存在するスピンの向きは、半導体層３に導入される磁場Ｂの影響を受けて回転し、第２強磁性層２側の電圧出力が変動する。第２強磁性層２側の出力を検出する方式としては、（１）磁気抵抗効果測定方式と、（２）スピン流方式がある。上述の方式はスピン流方式（２）であるが、磁気抵抗効果測定方式を採用することもできる。
【００４５】
（１）磁気抵抗効果測定方式の場合、第１電極１Ｍと第２電極２Ｍは用いない。すなわち、これらの形成を省略するか、例え形成した場合においても利用しない。この場合、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、これらの間に電子流を供給する。注入された電子のスピンの偏極方向は、半導体層３の突出部３Ｂを介して内部に導入される磁場Ｂの向きに依存して、回転する。したがって、第１強磁性層１から第２強磁性層２に至る電子量、換言すれば分極率が変化するため、これらの間の半導体の結晶層を含む領域の磁気抵抗が変化する。したがって、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間の電圧を電圧測定回路によって計測することで、半導体層３内に導入された磁場Ｂの大きさを計測することができる。
【００４６】
また、情報の読み出し速度を更に向上させる場合には、上述の図１〜図１０に示したように、スピン流方式を用いる。
【００４７】
（２）スピン流方式では、図１〜図１０に示した通り、第１電極１Ｍと第２電極２Ｍとを用い、第１強磁性層１と第１電極１Ｍとの間には、電子流源Ｅを接続し、第２強磁性層２と第２電極２Ｍとの間には、電圧検出回路（手段）Ｖを接続する。
【００４８】
電子流源Ｅから、第１強磁性層１と第１電極１Ｍとの間に電子流を供給する。この場合、第１強磁性層１の直下の半導体層３からスピン流Ｓｐ１，Ｓｐ２が拡散する。スピン流Ｓｐ２は、半導体層３をチャネル層として伝播し、第２強磁性層２側に至る。スピン流Ｓｐ２の伝播過程でスピンが受けた磁場Ｂに応じて、スピンの向きが回転して、第２強磁性層２と第２電極２Ｍとの間の電圧が変動する。この電圧は、電圧測定回路Ｖによって測定する。したがって、半導体層３内に導入された磁場Ｂの大きさを計測することができる。
【００４９】
次に、第１及び第２強磁性層１，２周辺の詳細構造と、各要素の材料について説明する。
【００５０】
図２６は、強磁性層周辺の詳細断面構造を示す図である。
【００５１】
磁化方向を固定する場合、図２６（Ａ）に示すように、第１トンネル障壁層５Ａ上には、第１強磁性層１、第１反強磁性層１ＡＦ、及び、第１配線Ｗ１が順次積層されている。同様に、磁化方向を固定する場合、図２６（Ｂ）に示すように、第２トンネル障壁層５Ａ上には、第２強磁性層２、第２反強磁性層２ＡＦ、及び、配線層Ｗ２が順次積層されている。強磁性層１，２と、反強磁性層１ＡＦ，２ＡＦとが交換結合することで、磁化方向が固定される。一方の強磁性層を磁化フリー層として機能させる場合には、反強磁性層を用いないで、且つ、強磁性層のアスペクト比を低下させることで、その長手方向に磁化方向が向きやすくなる傾向を抑制し、磁化方向が外部磁場に対して容易に回転するようにすることもできる。
【００５２】
第１及び第２トンネル障壁層５Ａ，５Ｂとして、金属と半導体のショットキー接触時に形成されるショットキー障壁を利用することもできるが、制御性の観点から、厚さが２ｎｍ以下のトンネル絶縁層を用いることが好適である。この場合、第１及び第２トンネル障壁層５Ａ，５Ｂの材料としては、結晶質（単結晶又は多結晶：アモルファスを除く）のＭｇＯの他、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｎＯ、又は、ＭｇＡｌ２Ｏ４などを用いることができ、その厚みは、電子がトンネルするよう、２ｎｍ以下に設定することが好ましい。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。
【００５３】
第１強磁性層１及び第２強磁性層２の材料は、それぞれＣｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉからなる群から選択される金属、群の元素を１以上含む合金、又は、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。一例としては、これらの第１及び第２強磁性層１，２は、ＣｏＦｅ又はＮｉＦｅからなる。これらの材料はスピン分極率の大きい強磁性材料であるため、スピンの注入電極又はスピンの受け取り電極としての機能を好適に実現することが可能である。
【００５４】
反強磁性層１ＡＦ，２ＡＦの材料としては、ＩｒＭｎやＰｔＭｎなどのＭｎ合金を用いることができる。また、形状磁気異方性を利用して磁化方向を固定する場合には、反強磁性層１ＡＦ，２ＡＦは省略することができる。
【００５５】
電極或いは配線層Ｗ１、Ｗ２、Ｗ１Ｍ，Ｗ２Ｍの材料としては、非磁性の金属であればよいが、Ａｌ、Ｃｕ又はＡｕなどを用いることができる。
【００５６】
半導体層３の材料としては、上述のように、結晶欠陥の少ないＳｉが好ましいが、その他Ｇｅなどの半導体の他、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＺｎＯ、ダイヤモンド（Ｃ）又はＳｉＣなどの化合物半導体を採用することも可能である。この中で、半導体層３が、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓからなる場合、これらは良質な単一ドメインの結晶を得ることができることが知られているため、好適である。半導体はスピン拡散長が比較的長いため、チャンネル内に好適にスピンを蓄積することができる。
【００５７】
ベース基板１０Ａは、ＡｌＴｉＣ、Ａｌ２Ｏ３又はＳｉなどの半導体のように絶縁性の高い材料からなる。
【００５８】
絶縁膜４の材料としては、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＭｇＯ、又はＡｌ２Ｏ３などを用いることができるが、絶縁膜であれば特に制限されるものではない。
【００５９】
以上、説明したように、上述の実施形態に係るスピン伝導素子は、半導体層３と、半導体層３上に第１トンネル障壁層５Ａを介して設けられた第１強磁性層１と、半導体層３上に、第１強磁性層１から離間し、且つ、第２トンネル障壁層５Ｂを介して設けられた第２強磁性層２とを備えている。また、検出にスピン流のみを用いる場合、半導体層３上における、第１及び第２強磁性層１，２間の領域の外側の領域に設けられた第１参照電極１Ｍと、半導体層３上における前記外側の領域に設けられた第２参照電極２Ｍと、第１強磁性層１と第１参照電極１Ｍとの間に接続される電子流源Ｅと、第２強磁性層２と第２参照電極２Ｍとの間に接続される電圧検出回路Ｖと、を備え、第１強磁性層１と第１参照電極１Ｍとの間に、第１領域Ｒ１が位置している。
【００６０】
この場合、電子流源Ｅから電子が供給されると、第１強磁性層１における第１トンネル障壁層５Ａの下の半導体内からスピン流が拡散する。スピン流は、第２強磁性層２の方向に流れ、この量に依存して、第２強磁性層２と第２参照電極２Ｍとの間に電圧が発生する。電圧検出回路Ｖは、この電圧を、スピン伝導素子の出力として検出することができる。
【００６１】
上記スピン伝導素子の製造方法について説明する。
まず、ベース基板１０Ａ上に絶縁層４及び半導体層３が積層されたＳＯＩ基板を用意する。半導体層３はＳｉからなる。次に、ＳＯＩ基板上に、フォトリソグラフィ工程を用いてアライメントマークを形成する。しかる後、不純物添加予定領域（Ｒ１Ｍ、Ｒ１２、Ｒ２Ｍ）のみが開口したマスク（ＳｉＯ２）を半導体層３上にパターニングし、このマスクを介して、半導体層３内に不純物を添加する。添加においては、拡散法又はイオン注入法を用いることができる。
【００６２】
不純物を添加後、熱処理（アニール）を行うことで、不純物を活性化させると共に、半導体層３内部において拡散させる。アニール温度は９００℃を用いることができる。不純物が添加されない第１領域Ｒ１における不純物濃度は１×１０１３／ｃｍ３以上１×１０１８／ｃｍ３未満とし、不純物が添加される第２領域Ｒ１２、半導体領域Ｒ１Ｍ，Ｒ２Ｍにおける不純物濃度は１×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下に設定する。
【００６３】
不純物が添加された後は、ＨＦ水溶液によってマスクを除去し、半導体層３の表面を洗浄する。すなわち、半導体層３の表面の付着物、有機物、酸化膜を除去する。アセトンなどの有機溶剤を用いた洗浄や、ＲＣＡ洗浄、ＨＦ水溶液を適用することができる。ＲＣＡ洗浄では、フッ酸水溶液（ＨＦ）を露出表面に接触させた後、アンモニア（ＮＨ４ＯＨ）＋過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を露出表面に接触させ、次に、塩酸（ＨＣ１）＋過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を露出表面に接触させ、最後に純水で洗浄を行う。
【００６４】
製造においては、かかる不純物添加の後、半導体層３上の各層を順次形成する。半導体層３上に絶縁層５Ａ、５Ｂの元となる初期絶縁層を形成し、続いて、強磁性層を初期絶縁層上に形成し、必要に応じて、反強磁性層やバリア層を強磁性層上に形成する。これらの形成には、ＭＢＥ法を用いることができる。例えば、半導体層３上に、ＭｇＯ層、Ｆｅ層，Ｔｉ層、Ｔａ層を順次形成する。しかる後、基板(ウェハ)の洗浄を行う。
【００６５】
更に、半導体層３の平面形状が長方形となるように、フォトリソグラフィを用いて、長方形マスクを半導体層３上に形成し、長方形となる半導体層３の周囲のＳｉを、ＨＦ水溶液を用いてウェットエッチングして除去する。なお、半導体層３の周辺のＳｉを除去する前に、半導体層３上の各層は、イオンミリングやＲＩＥなどのドライエッチングを用いて除去することができる。しかる後、整形された半導体層３の露出側面を酸化し、酸化膜を半導体層３の側面に形成し、これを絶縁層ＩＳ１とする。
【００６６】
次に、露出した強磁性層（バリア層）上に、フォトリソグラフィによってマスクを形成する。このマスクは、強磁性層１，２の形成予定領域の周辺が開口した形状とする。更に、このマスクを用いて、強磁性層をミリング或いは反応性イオンエッチングなどのドライエッチングあるいはウェットエッチングにより除去し、強磁性層１，２を残留させる。このときのエッチングは、初期絶縁層が少なくとも露出するまで行うが、半導体層３が露出するまで行ってもよい。
【００６７】
さらに、半導体層３上に電極形成予定領域が開口したマスクをフォトリソグラフィにより形成し、スパッタ法などにより、開口内に参照電極１，２を形成した後、マスクを除去する。参照電極１，２が半導体層３に接触するように、形成予定領域に初期絶縁層が存在している場合には、フォトリソグラフィによるパターニングを用いて、かかる領域における初期絶縁層を除去しておく。次に、半導体層３の露出表面及び強磁性層１、２の側面上に絶縁層ＩＳ２を更に形成する。
【００６８】
電極パッドＰ１、Ｐ２、Ｐ１Ｍ，Ｐ２Ｍをスパッタ法又は蒸着法により、絶縁層４上に形成し、更に、配線Ｗ１、Ｗ２、Ｗ１Ｍ、Ｗ２Ｍをスパッタ法又は蒸着法により形成し、電極パッドＰ１、Ｐ２、Ｐ１Ｍ，Ｐ２Ｍと各層１，２，１Ｍ，２Ｍを配線Ｗ１、Ｗ２、Ｗ１Ｍ、Ｗ２Ｍによって電気的に接続する。これによりスピン伝導素子が完成する。スピン伝導素子における不純物添加領域は、添加時のマスク形状を変更することで、変えることができ、また、必要に応じて、スピン伝導素子の周囲に磁気シールドを形成することができる。磁気シールドの形成には、スパッタ法などを用いることができる。
【００６９】
次に、上記スピン伝導素子において、不純物濃度分布のみを変更した例について、図５〜図８を用いて説明する。
【００７０】
図５は、図２とは異なる不純物濃度分布を有するスピン伝導素子の断面構成を示す図である。この不純物濃度分布は、図２に示したスピン伝導素子において、熱処理を行うことで、内部の不純物を半導体層３内で拡散させたものであり、Ｙ軸方向に沿って、不純物の分布領域が広がっている。
【００７１】
上述の第２領域Ｒ１２は、第１及び第２強磁性層１の直下領域に重複するように、Ｙ軸方向に広がっている。また、元々の電極直下の半導体領域Ｒ１Ｍ，Ｒ２Ｍの不純物も、Ｙ軸方向に若干拡散し、これらの不純物濃度分布のＹ軸方向の寸法が広がっている。半導体領域Ｒ１Ｍ，Ｒ２Ｍの不純物濃度分布は、大きく広がらなくてもよい。
【００７２】
すなわち、第２領域Ｒ１２は、半導体層３における、第１及び第２強磁性層１，２の直下の領域を一部分含んでいる。この場合、これらの直下の領域においてもスピン抵抗が低下し、スピン流が流れやすくなるため、第２強磁性層２に至るスピン流Ｓｐ２が増加し、出力を向上させることができる。
【００７３】
図６は、更に異なる不純物濃度分布を有するスピン伝導素子の断面構成を示す図である。
【００７４】
本例では、図２に示したものと比較して、第２領域Ｒ１２を、第２参照電極側の半導体領域Ｒ２Ｍまで広げたものである。この場合においても、第１強磁性層１から第２強磁性層２に至るまでの第２領域Ｒ１２の不純物濃度は、第１領域Ｒ１の不純物濃度よりも高いので、第２強磁性層２側に流れるスピン流Ｓｐ２は、第１参照電極１Ｍ側に流れる電流よりも多くなる。また、第２領域Ｒ１２が、上記の如く広がった場合には、電圧ノイズが小さいという効果がある。
【００７５】
図７は、更に異なる不純物濃度分布を有するスピン伝導素子の断面構成を示す図である。
【００７６】
本例では、図６に示したものと比較して、各電極（第１強磁性層１、第２強磁性層２、第１参照電極１Ｍ、第２参照電極２Ｍ）の直下に全て不純物を添加したものである。なお、参照電極１Ｍ，２Ｍの直下においては、前述の例においても、不純物は添加されていたので、便宜上、これらの領域に関しては、参照電極１，２直下の浅い領域をＲ１Ｍ’、Ｒ２Ｍ’とし、深い領域をＲ１Ｍ，Ｒ２Ｍとする。浅い領域Ｒ１Ｍ’、Ｒ２Ｍ’と、深い領域Ｒ１Ｍ，Ｒ２Ｍの不純物濃度は同一であってもよいが、スピン抵抗が表層側で小さくなるように、浅い領域Ｒ１Ｍ’、Ｒ２Ｍ’の不純物濃度を、深い領域Ｒ１Ｍ，Ｒ２Ｍの不純物濃度よりも相対的に増加させることもできる。これにより電極１Ｍ，２Ｍと半導体層３の電気的整合を容易にとることができる。
【００７７】
また、第１強磁性層１の直下の浅い領域をＲ１２１、第２強磁性層２の浅い領域をＲ１２２とすると、これらの領域よりも深い領域に位置する第２領域Ｒ１２よりも高い不純物濃度とすることができる。もちろん、領域Ｒ１２、Ｒ１２１、Ｒ１２２の不純物濃度は同一であってもよい。第１及び第２強磁性層１，２の直下の領域においてもスピン抵抗が低減されているので、多くのスピン流Ｓｐ２を第２強磁性層２の方向へ流すことができる。すなわち、第２領域Ｒ１２は、半導体層３における、第１及び第２強磁性層１，２の直下の領域を全て含んでいるので、これらの直下の領域においてもスピン抵抗が低下し、スピン流が流れやすくなるため、第２強磁性層２に至るスピン流Ｓｐ２が増加し、出力を向上させることができる。
【００７８】
図８は、更に異なる不純物濃度分布を有するスピン伝導素子の断面構成を示す図である。
【００７９】
本例では、図７に示したものと比較して、不純物が添加されていない表層の領域をエッチングなどで除去するか、或いは、不純物が添加された浅い半導体領域Ｒ１Ｍ、Ｒ２Ｍ、Ｒ１２１、Ｒ１２２を、元々の半導体層３上にエピタキシャル成長したものである。この構造の場合、半導体層３の表層に低濃度領域がないため、かかる領域を伝播するスピン流がなくなり、スピン流Ｓｐ２の第２強磁性体２の方向への伝達効率が高くなる。なお、エッチングにはウェットエッチングの他、ミリングや反応性イオンエッチングなどのドライエッチングを用いることができ、また、エピタキシャル成長には、従来から知られるスパッタ法やＣＶＤ法を用いることができる。
【００８０】
図９は、上述の基本構造を有すると共に、磁気センサとして機能するスピン伝導素子の斜視図である。電極パッドＰ１，Ｐ２，Ｐ１Ｍ，Ｐ２Ｍは、半導体層３を境界として同一の側に配置されており、これらの電極パッドＰ１，Ｐ２，Ｐ１Ｍ，Ｐ２Ｍとは逆側には、半導体層３は突出部３Ｂを有している。この素子の電気的な接続は、図２に示した通りである。
【００８１】
半導体３は、本体部３Ａと突出部３Ｂとを備えている。本体部３Ａの形状はＹ軸方向を長手方向とし、Ｘ軸方向を短手方向とし、Ｚ軸方向を厚み方向とする四角錐台或いは直方体である。突出部３Ｂの平面形状は、四角錐台或いは台形柱であり、平面視では、媒体対向面側の大きさが小さくなった台形である。この台形は、媒体対向面とＸＹ平面との交線を上底とし、また本体部に連続しているため実際には下底はないが、仮想的には本体部３Ａとの境界線を台形の下底とみなすことができる。突出部３Ｂは、磁気記録媒体に対向する部位であり、かかる箇所を通じて、半導体層３内に磁場Ｂが導入される。
【００８２】
半導体層３内に磁場が導入されると、第１強磁性層１から強磁性層２に向かうスピン流Ｓｐ２は、磁場Ｂの影響を受け、スピンの向きが回転する。スピンの向きの回転量は、磁場の大きさに比例し、出力電圧は、回転したスピンの磁化方向と第２強磁性層２の磁化方向と一致するので、出力電圧は、間接的に磁場Ｂの大きさを計測していることになる。
【００８３】
また、ベース基板１０Ａには、半導体層３の長手方向を囲むように、磁気シールドＳＨが設けられており、突出部３Ｂのみが磁気シールドＳＨを貫通して、磁気記録媒体に対向している。ここで、ベース基板１０ＡをＳｉからなることとし、絶縁層４をＡｌ２Ｏ３などとし、半導体層３を絶縁層４上にエピタキシャル成長したＳｉ層とすると、この基板はＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板を構成することとなる。ＳＯＩ基板では、半導体層３の厚みを薄く設定することがでるので、通常の半導体基板のような深い位置の影響が少なく、ノイズが減少するという利点がある。半導体層３の厚みは、ノイズを抑制するという観点から、０．４ｎｍ以上７０ｎｍ以下であることが好ましいが、これよりも大きな値、例えば１００ｎｍとすることも可能である。なお、ベース基板１０Ａを磁気シールド材料から構成することもできる。
【００８４】
なお、不純物濃度分布については、上述の例（図１〜図８）のものと同じであるが、突出部３Ｂにおいては、スピン流Ｓｐ２を第２強磁性層２に向かわせる位置に存在していないので、格段に不純物を添加する必要はなく、不純物添加前の低不純物濃度の状態、すなわち上述の第１領域Ｒ１と同じ濃度でよい。
【００８５】
ここで、半導体層３は、絶縁層４上に成長したエピタキシャル層からなるが、これはバルクから切り出した単一ドメインの結晶層からなる半導体膜を、絶縁層４に貼り付けることにより、構成することもできる。
【００８６】
図１０は、単一ドメインの半導体結晶層を半導体層３として用いたスピン伝導素子の斜視図である。
【００８７】
図１０に示すスピン伝導素子は、図９に示したベース基板１０Ａと絶縁層４との間に、磁気シールド１０Ｂ及び絶縁層１０Ｃが設けられ、半導体層３として単一ドメインの半導体結晶層を用いた点のみが、図９に示した磁気センサと異なり、その他の構成は、図９に示したものと同一である。なお、説明において、磁気シールドＳＨの詳細構造は、図２３を参照する。また、この素子の電気的な接続は、図２に示した通りである。
【００８８】
この磁気センサは、ベース基板１０と、ベース基板１０に絶縁膜４を介して貼り付けられた単一ドメインのバルクの結晶層からなる半導体層３とを備えている。ベース基板１０は、下部ベース基板１０Ａ、下部磁気シールド１０Ｂ、及び、上部ベース基板１０Ｃを積層してなる。半導体層３における絶縁膜４とは反対側の表面上には、第１トンネル障壁層５Ａを介して第１強磁性層１が形成されており、同様に、半導体層３における絶縁膜４とは反対側の表面上には、第２トンネル障壁層５Ｂを介して第２強磁性層２が形成されている。
【００８９】
図２３に示されるように、ベース基板１０の外側からの磁場の半導体層３への導入は、磁気シールド１０Ｂにより抑制され、媒体対向面側からの磁場の半導体層３への導入は、磁気シールドＳＨ１により抑制され、ベース基板１０の磁気シールド１０Ｂとは逆側からの半導体層３への磁場の導入は、磁気シールドＳＨ２により抑制される。
【００９０】
ここで、本例の半導体層３は、絶縁層上への薄膜成長によって形成されるのではない。半導体層３は、ＣＺ（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法あるいはＦＺ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｚｏｎｅ）法により作製された単結晶インゴッドをスライスして切り出したものを用いる。半導体層３は、必要に応じて、貼り合わせ後に研磨を行うことで、薄膜化することができる。すなわち、半導体層３を、単一ドメインの単結晶から製造するように、絶縁層上への結晶成長を用いず、別の工程において、半導体層３を作製しておき、これをベース基板１０に絶縁膜４を介して貼り付ける。別工程としては、例えばＭＢＥ法を用いた結晶成長法を用いることができる。
【００９１】
バルクの半導体結晶層の結晶性は、絶縁膜上への薄膜成長を用いて形成したものの結晶性よりも高くなる。したがって、この半導体層３をスピン伝導層として利用すれば、スピン伝導特性が改善し、出力の向上、磁場解像度の向上及び素子作製における制約が緩和される。
【００９２】
第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に電子を流した場合、そのスピンが上記磁場Ｂにより回転し、出力が変動するが、半導体層３は単一ドメインのバルク結晶からなるので、その結晶性は、結晶成長により作製したＳＯＩ基板の場合の半導体の結晶層よりも高くなる。したがって、スピン伝導特性を改善することができ、より精密な計測を行うことができる。
【００９３】
この構造のスピン伝導型磁気センサでは、Ｘ軸の負方向側のＹＺ平面が、媒体対向面（ＡＢＳ）を構成している。媒体対向面が対向する磁気記録媒体から、突出部３Ｂを介して半導体層３のチャネルである本体部３Ａ内に磁場Ｂが導入される。半導体の結晶層本体部３Ａにおいて、スピンの偏極が回転する。
【００９４】
したがって、出力電圧は、半導体層３内に導入された磁場の大きさに依存することとなり、磁気センサとして機能する。ここで、半導体の結晶層はバルクからなるので、その結晶性は、結晶成長により作成したＳＯＩ基板の場合の半導体の結晶層の結晶性よりも高い。したがって、スピン伝導特性を改善することができ、より精密な計測を行うことができる。
【００９５】
このように、半導体層３は、磁気ヘッドにおける媒体対向面側に先端部が位置する突出部３Ｂを有している。この場合、突出部３Ｂを介して、上記磁場Ｂを半導体層３内部に導入することができる。
【００９６】
特に、突出部３Ｂ以外の半導体層３である本体部３Ａは、磁気シールドＳＨ（１０Ｂを含む）によりＹ軸まわりに囲まれており、磁場の影響を受けにくくなっている。すなわち、この磁気センサは、突出部３Ｂが内部に位置する貫通孔ＴＨ（図２３参照）を有する磁気シールドＳＨ１（ＳＨ）を更に備えており、この貫通孔ＴＨは、半導体層３における第１強磁性層１と第２強磁性層２との間の領域の側方（Ｘ軸負方向）に位置している。媒体対向面における貫通孔ＴＨの一辺の長さ（Ｙ軸方向の長さ）を例えば０．００５μｍ〜０．１μｍとし、他辺の長さ（Ｚ軸方向の長さ）を例えば０．００１μｍ〜０．１μｍとすることができる。半導体層３の側方には磁気シールドＳＨ（特に側部磁気シールドＳＨ１：図２３参照）が位置しているため、突出部３Ｂ以外からは磁場が内部に導入されず、正確な測定が可能となる。
【００９７】
次に、磁気シールド等の材料について説明する。
【００９８】
下部ベース基板１０Ａは、ＡｌＴｉＣ、Ａｌ２Ｏ３又はＳｉなどの半導体のように絶縁性の高い材料からなる。
【００９９】
下部磁気シールド１０Ｂを含む磁気シールドＳＨの材料は、例えばＮｉ及びＦｅを含む合金、センダスト、Ｆｅ及びＣｏを含む合金、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉを含む合金等の軟磁性体材料からなり、一例としてはＮｉＦｅからなる。なお、側部に立設された側部磁気シールドＳＨ１のＺ軸方向の厚みは、半導体層３の厚みよりも大きく、例えば０．０２μｍ〜１μｍである。同様に上部磁気シールドＳＨ２と、下部磁気シールド１０ＢのＺ軸方向の厚みも、それぞれ０．０２μｍ〜１μｍである。
【０１００】
上部ベース基板１０Ｃは、下部磁気シールド１０Ｂ内に埋め込まれた絶縁層からなり、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＭｇＯ、又はＡｌ２Ｏ３などを用いることができる。なお、下部磁気シールド１０Ｂは、上部ベース基板１０Ｃの下面に接触する第１磁気シールド１０Ｂ１と、側面に接触する第２磁気シールド１０Ｂ２からなり、ＸＺ断面の形状はＬ字型である。
【０１０１】
半導体層３の厚みは、０．４ｎｍ以上７０ｎｍ以下である。この場合、バックグラウンド電圧を低く抑えることができるという利点がある。半導体層３の厚みが薄すぎる場合には、単結晶の膜として存在できないという課題があるため、これは０．４ｎｍ以上であることが好ましい。すなわち、磁気センサにおいて、半導体層３の厚みを薄くすることには利点がある。従来のＳＯＩ基板のように、絶縁層上に半導体の結晶層を結晶成長させた場合、薄くしすぎると、半導体の結晶層の結晶性が十分ではない。一方、バルクの半導体層３を用いた場合には、厚みを薄くしても、高い結晶性を有しているので、十分にノイズを低下させることができる。
【０１０２】
次に、磁気センサの製造方法について、図１１〜図２３を参照して説明する。
【０１０３】
まず、図１１に示すように、下部ベース基板１０Ａを用意する。本例では、下部ベース基板１０Ａは、ＡｌＴｉＣからなることとする。同図では、長方形で板状の下部ベース基板１０Ａが示されているが、これは最終的にダイシングを行った後の形状であり、実際に最初に用意される基板は直径６インチのウェハである。また、下部ベース基板１０Ａとして、ＳＯＩ基板を用いることも可能である。この下部ベース基板１０Ａに適当なアライメントマークを形成しておき、これを以後のパターニングの基準として使用する。
【０１０４】
次に、図１２に示すように、下部磁気シールド１０Ｂとなる磁性層１０Ｂ’を下部ベース基板１０Ａ上に形成する。この磁性層１０Ｂ’は、軟磁性体からなり、例えば、ＮｉＦｅからなる。形成方法としては、スパッタ法などを用いることができる。
【０１０５】
しかる後、図１３に示すように、磁性層１０Ｂ’を、そのＸＺ断面がＬ字型となるように加工し、Ｙ軸に平行に延びた境界線を有する段差を形成する。この加工には、Ａｒを用いたイオンミリング法又は公知の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いることができる。
【０１０６】
次に、図１４に示すように、絶縁体からなる上部ベース基板１０Ｃを、下部磁気シールド１０Ｂの上面の全面上に形成した後、ＸＹ平面に平行な研磨面を有する研磨部材を用いて、絶縁体からなる上部ベース基板１０Ｃを、第２磁気シールド１０Ｂ２の表面が露出するまで化学機械研磨（ＣＭＰ）し、露出表面を平坦化する。
【０１０７】
次に、貼り合わせ用のバルクの結晶層からなる半導体層（半導体基板）３を用意する。この半導体層３は、ＦＺ法あるいはＣＺ法で作製された単結晶半導体基板であり、本例ではＳｉである。この半導体層３（例：厚さ１００ｎｍ）の表面を熱酸化することで、表面にＳｉＯ２からなる絶縁層４（例：厚さ２０ｎｍ）を形成する。絶縁層４の形成方法はスパッタ法や化学的気相成長（ＣＶＤ）法を用いてもよい。この半導体層３は必要に応じてダイシングして適当な大きさに加工され、図１５に示すように、前述のベース基板１０の表面に貼り付ける。
【０１０８】
ベース基板１０の最表面には絶縁体からなる上部ベース基板１０Ｃが位置しており、半導体層３の表面には絶縁層４が形成されている。したがって、これらの絶縁体を接触させて、熱と圧力を加えることで、ベース基板１０に、半導体層３が固定される。
【０１０９】
更に、半導体層３の露出表面を洗浄する。この洗浄には、いわゆるＲＣＡ洗浄を用いることができる。ＲＣＡ洗浄では、フッ酸水溶液（ＨＦ）を露出表面に接触させた後、アンモニア（ＮＨ４ＯＨ）＋過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を露出表面に接触させ、次に、塩酸（ＨＣ１）＋過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を露出表面に接触させ、最後に純水で洗浄を行う。ここで、上述の不純物添加を行う。
【０１１０】
すなわち、不純物添加予定領域のみが開口したマスク（ＳｉＯ２）を半導体層３上にパターニングし、このマスクを介して、半導体層３内に不純物を添加する。添加においては、拡散法又はイオン注入法を用いることができる。不純物を添加後、熱処理（アニール）を行うことで、不純物を活性化させると共に、半導体層３内部において拡散させる。アニール温度は９００℃を用いることができる。不純物が添加された後は、ＨＦ水溶液によってマスクを除去し、半導体層３の表面を洗浄する。製造においては、かかる不純物添加の後、半導体層３上の各層を順次形成する。
【０１１１】
しかる後、半導体層３の表面上に、分子線ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法を用いて、トンネル障壁層５としてＭｇＯ（１ｎｍ〜１．５ｎｍ）を形成し、続いて、トンネル障壁層５上に、Ｆｅ（５ｎｍ〜１０ｎｍ）を形成し、この上にＴｉ層（３ｎｍ）を形成し、更に、スパッタ法を用いて、この上にＣｏＦｅ層、Ｒｕ層、ＣｏＦｅ層を順次形成して、強磁性層６（パターニング整形後に強磁性層１，２となる）を形成する。更に、必要に応じて、強磁性層６を構成する最表面のＣｏＦｅ層上に反強磁性層（ＩｒＭｎ）を形成し（図２６参照：反強磁性層１ＡＦ，２ＡＦ）、更に、Ｒｕ層及びＴａ層をバリア膜ＢＲとして反強磁性層上に形成する（図２６参照）が、構造の明瞭化のため図１５には図示していない。
【０１１２】
次に、強磁性層６の磁化方向を固定するため、磁場下でのアニールを行う。例えば、Ｙ軸負方向に磁化方向を固定することとする。
【０１１３】
次に、図１５に示すように、フォトレジストを塗布してからこれのパターニングを行い、強磁性層６（バリア層）上にマスクＲ１を形成する。このマスクＲ１を用いて、マスクＲ１で被覆されていない各層６、５、３の領域をイオンミリングして除去し、図１６に示すように、絶縁層４を露出させる。なお、イオンミリングと併用して化学的なエッチングを用いることもできる。
【０１１４】
しかる後、露出した半導体層３の側面を被覆する絶縁層ＩＳ１（厚さ２０ｎｍ：図２〜図４参照）を形成してから、マスクＲ１を除去する。
【０１１５】
次に、図１６に示すように、フォトレジストを塗布してからこれのパターニングを行い、強磁性層６（バリア層）上に第２のマスクＲ２を形成する。このマスクＲ２は、Ｘ軸方向に延びた一対の領域からなる。マスクＲ２を用いて、強磁性層６（バリア層）の露出領域を、イオンミリングあるいは化学的なエッチングによって、トンネル障壁層５或いは半導体層３が露出するまで除去し、露出した半導体層３を被覆する絶縁層ＩＳ２（厚さ２０ｎｍ：図２〜図４参照）を形成してから、次に、マスクＲ２を除去する。
【０１１６】
図１７に示すように、ここで残留した強磁性層を、第１強磁性１及び第２強磁性層２とする。スピン流型の検出を行う場合、図１８に示すように、露出した半導体層３の表面上に、それぞれ第１電極１Ｍ及び第２電極２Ｍを形成する。この形成には、スパッタ法や蒸着法を用いることができる。なお、電極形成予定領域に、トンネル障壁層あるいは絶縁層が露出して残留している場合には、これらの領域のトンネル障壁層或いは絶縁層をフォトレジストを用いたパターニングとエッチングによって除去する。
【０１１７】
更に、図１９に示すように、ベース基板１０上の半導体層３から離間した適当な位置に、蒸着法などで４つの電極パッドＰ１，Ｐ２，Ｐ１Ｍ，Ｐ２Ｍを形成する。次に、これらの電極パッドＰ１，Ｐ２，Ｐ１Ｍ，Ｐ２Ｍと、上記第１強磁性層１、第２強磁性層２、第１電極１Ｍ、第２電極２Ｍを、それぞれ配線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ１Ｍ，Ｗ２Ｍを用いて接続する。すなわち、配線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ１Ｍ，Ｗ２Ｍの一端部は、図１９に示すように、各層１、２、１Ｍ、２Ｍに電気的及び物理的に接続される。
【０１１８】
次に、図２０に示すように、リフトオフプロセスを用いて、強磁性電極１，２及び電極１Ｍ，２Ｍの媒体対向面側の表面を覆うように、厚さ２０ｎｍの絶縁膜ＰＦをこれらの上に形成する。これは強磁性層１，２及び電極１Ｍ，２Ｍが、次のプロセスで側部磁気シールド層ＳＨ１と電気的に接触することを防ぐためであり、絶縁膜ＰＦは例えばＳｉＯ２からなる。
【０１１９】
次に、図２１に示すように、Ｙ軸に沿って延びた側部磁気シールド層ＳＨ１によって、突出部３Ｂ形成領域以外の媒体対向面側の絶縁膜４の表面を被覆する。側部磁気シールド層ＳＨ１は、第２磁気シールド１０Ｂ２上に、絶縁膜４を介して形成される。側部磁気シールド層ＳＨ１の形成においては、この形成領域のみが開口したマスクパターンをフォトレジストで基板表面上に形成し、開口内に側部磁気シールドを構成する軟磁性材料を堆積し、しかる後、フォトレジストを除去すればよい。軟磁性材料の堆積にはスパッタ法を用いることができる。
【０１２０】
次に、図２２示すように、必要に応じてスペーサとしての絶縁膜ＳＰを、スパッタ法を用いて露出した基板表面上に形成し、絶縁膜ＳＰで各種配線を被覆し、絶縁膜ＳＰの露出表面を化学機械研磨し、平坦化する。このとき、側部磁気シールドＳＨ１と絶縁膜ＳＰのＺ軸方向の高さが同じになることが好ましい。
【０１２１】
次に、図２３に示すように、側部磁気シールドＳＨ１と絶縁膜ＳＰのＺ軸正方向の露出表面上に、上部磁気シールドＳＨ２を形成する。この形成には、スパッタ法を用いることができる。以上の工程により、磁気センサが完成する。なお、上述の各磁気シールド１０Ｂ、ＳＨ１，ＳＨ２は、磁気シールド層であり、一定の厚みを有している。
【０１２２】
図２４は、磁気センサを備えた磁気ヘッドの縦断面図である。
【０１２３】
磁気記録媒体２０は、記録面２０ａを有する記録層２０ｂと、記録層２０ｂに積層される軟磁性の裏打ち層２０ｃとを含んで構成されており、図２４中Ｚ軸方向で示す方向に、薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａに対して相対的に進行する。薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａは、磁気記録媒体２０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２０への記録を行う記録ヘッド部１００ｂを備えている。読取ヘッド部１００ａ及び記録ヘッド部１００ｂは、支持基板１０１上に設けられており、アルミナ等の非磁性絶縁層ＩＮＳにより覆われている。
【０１２４】
上述の磁気センサは、磁気ヘッド内に組み込まれ、読取ヘッド部１００ａを構成している。支持基板１０１上に、磁気センサが読取ヘッド部１００ａとして形成されており、その上に絶縁層ＩＮＳを介して、書き込み用の記録ヘッド部１００ｂが形成されている。記録ヘッド部１００ｂにおいて、リターンヨーク３０上にコンタクト部３２及び主磁極３３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３２を取り囲むように薄膜コイル３１が設けられており、薄膜コイル３１に記録電流を流すと主磁極３３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２０の記録層２０ｂに情報を記録することができる。
【０１２５】
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。
【０１２６】
また、第１強磁性層及び第２強磁性層の磁化方向は、これらの形状異方性（アスペクト比を高くする）か、あるいは反強磁性膜と強磁性層とを交換結合することで、固定することができる。また、半導体層３におけるスピン緩和時間は１ｎｓｅｃ以上である。
【０１２７】
以上、単一ドメインの結晶層をスピン伝導チャネルとして用いた場合、Ｓｉ以外の材料の場合においても、スピン伝導特性を改善することができるが、特に、Ｓｉなどの立方晶のダイヤモンド構造や、ＧａＡｓなどの閃亜鉛鉱構造の半導体は、良質なバルク結晶が数多く製造され、市販されているため、チャネル材料としては好ましい。
【０１２８】
以上、説明したように、上述のスピン伝導素子においては、半導体層３内において、均一にスピンを拡散させるのではなく、半導体中の不純物濃度を非対称に分布させることにより、半導体層３中に注入されたスピンの分流効果を抑制して、原理的には最大２倍の出力を得ることができる。
【０１２９】
図２５は、スピン伝導素子を用いたスピン電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を示す図である。
【０１３０】
このスピンＦＥＴは、図１〜図８に示したスピン伝導素子における主要部（基板１０Ａ、絶縁層４、半導体層３、第１、２トンネル障壁層５Ａ、５Ｂ、強磁性層１，２）を同様に備えている。ここで、半導体層３はＰ型に設定されており、これにＮ型の不純物が添加されたソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄが形成されている。上述のトンネル障壁層５Ａ、５Ｂは、それぞれ半導体層３のソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄ上に形成され、それぞれのトンネル障壁層５Ａ，５Ｂ上に、強磁性層１，２が形成されている。第１及び第２強磁性層１，２間における半導体層３の電位を制御するため、これらの間の領域上にはゲート絶縁膜ＩＧを介してゲート電極Ｇが形成されている。
【０１３１】
ソースＳからドレインＤに流れるスピン偏極した電子流ｅの量は、ゲート電圧によって制御することができるが、このときのスピン流Ｓｐ２も大きくなるように、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間の第２領域Ｒ１２にＮ型の不純物が添加してあり、これとは逆側の第２領域Ｒ１には不純物は意図的には添加していない。また、第２強磁性層２は、フリー層とされており、図示しない外部磁場又はスピン注入構造により、その磁化方向を制御することができる。フリー層の磁化方向を制御することで、このフリー層内に流れ込む電子量を制御することができる。
【０１３２】
このトランジスタは、低濃度の不純物がゲート直下に添加されているため、ノーマリオンのトランジスタとして機能するが、ゲート電圧の印加によって、その電子量を調整することができる。また、上述のスピン伝導デバイスは、磁気センサ、スピントランジスタの他、メモリや論理回路にも応用することが可能と考えられる。
【０１３３】
なお、第１及び第２強磁性層１，２は、Ｘ方向とＹ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ることができる。
【符号の説明】
【０１３４】
３…半導体層、５Ａ…第１トンネル障壁層、１…第１強磁性層、５Ｂ…第２トンネル障壁層、２…第２強磁性層、Ｒ１…第１領域、Ｒ１２…第２領域。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体内へ導入されるスピンを利用したスピン伝導素子に関わる。
【背景技術】
【０００２】
最近、半導体、特にシリコン（Ｓｉ）におけるスピン伝導の現象が、多くの注目を集めている。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。このような半導体スピン伝導素子として、例えば、Ｓｐｉｎ−ＭＯＳＦＥＴが挙げられる。半導体スピン伝導素子には、電流及びスピン流の双方を用いるもの（磁気抵抗効果型）と、スピン流のみを用いるもの（非局所構造型）がある。
【０００３】
非局所構造型の半導体スピン伝導素子では、電流とスピン流の流れる経路が異なり、スピン流自体は電荷を持たずこれによる電圧を生じさせないため、高いＳ／Ｎの出力を得ることが期待される。しかしながら、非局所構造型の半導体スピン伝導素子の場合、一般的に出力が小さいという課題がある。出力を増大させるため、本願の発明者らは、半導体内の不純物濃度を調整する方法などを考えてきた（特許文献１参照）。この方法では、半導体の表面付近のみに高濃度の不純物を添加することで、界面抵抗を低下させ、出力向上をさせるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２８７６６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非局所構造型のスピン伝導素子においては、更なる出力向上が期待されている。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、出力を向上可能なスピン伝導素子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】
【０００６】
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、且つ、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、を備え、前記半導体層は、前記第１強磁性層からその厚み方向に垂直な方向に沿って、前記第１強磁性層から離れる方向へ広がる第１領域と、前記第１強磁性層からその厚み方向に垂直な方向に沿って、前記第２強磁性層に向かう方向に延びており、前記第１領域の不純物濃度よりも相対的に高い不純物濃度を有する第２領域とを備えることを特徴とする。
【０００７】
第１強磁性層から第１トンネル障壁層を介して半導体層内に注入されたスピンは、不純物濃度が高い領域の方向へ、より高い確率で拡散する。すなわち、第２領域は、第１強磁性層から第２強磁性層に向かう方向に延びているので、この方向の半導体領域のスピン抵抗が下がり、スピン流の多くの量は、第２強磁性層方向に流れることなる。第２強磁性層にスピン流が至ることにより発生する出力は、スピン流の大きさに依存するため、このスピン伝導素子では、出力を向上させることが可能となる。
【０００８】
前記第２領域は、前記半導体層における、前記第１及び第２強磁性層の直下の領域を含むことを特徴とする。
【０００９】
この場合、これらの直下の領域においてもスピン抵抗が低下し、スピン流が流れやすくなるため、第２強磁性層に至るスピン流が増加し、出力を向上させることができる。
【００１０】
また、本発明に係るスピン伝導素子は、前記半導体層上における、前記第１及び第２強磁性層間の領域の外側の領域に設けられた第１参照電極と、前記半導体層上における前記外側の領域に設けられた第２参照電極と、前記第１強磁性層と前記第１参照電極との間に接続される電子流源と、前記第２強磁性層と前記第２参照電極との間に接続される電圧検出回路と、を備え、前記第１強磁性層と前記第１参照電極との間に、前記第１領域が位置していることを特徴とする。
【００１１】
この場合、電子流源から電子が供給されると、第１強磁性層における第１トンネル障壁層の下の半導体内からスピン流が拡散する。スピン流は、第２強磁性層方向に流れ、この量に依存して、第２強磁性層と第２参照電極との間に電圧が発生する。電圧検出回路は、この電圧を、スピン伝導素子の出力として検出することができる。
【００１２】
前記第１領域における不純物濃度は１×１０１３／ｃｍ３以上１×１０１８／ｃｍ３未満であり、前記第２領域における不純物濃度は１×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下であることを特徴とする。
【００１３】
第２領域における不純物濃度は、第１領域の不純物濃度よりも高いが、これらの不純物濃度が上述の範囲にある場合、第２領域へのスピン流の流れ込みが大きくなるという効果がある。
【００１４】
前記第１及び第２トンネル障壁層は、それぞれＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｎＯ、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。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のスピン伝導素子によれば、不純物濃度差により、出力方向の領域においてスピン流を偏在させることができるので、出力を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】スピン伝導素子の斜視図である。
【図２】図１に示したスピン伝導素子のＩＩ−ＩＩ矢印線に沿った断面構成を示す図である。
【図３】図１に示したスピン伝導素子のＩＩＩ−ＩＩＩ矢印線に沿った断面構成を示す図である。
【図４】図１に示したスピン伝導素子のＩＶ−ＩＶ矢印線に沿った断面構成を示す図である。
【図５】図２とは異なる不純物濃度分布を有するスピン伝導素子の断面構成を示す図である。
【図６】更に異なる不純物濃度分布を有するスピン伝導素子の断面構成を示す図である。
【図７】更に異なる不純物濃度分布を有するスピン伝導素子の断面構成を示す図である。
【図８】更に異なる不純物濃度分布を有するスピン伝導素子の断面構成を示す図である。
【図９】別の構造のスピン伝導素子の斜視図である。
【図１０】更に別の構造のスピン伝導素子の斜視図である。
【図１１】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子中間体の斜視図である。
【図１２】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子中間体の斜視図である。
【図１３】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子中間体の斜視図である。
【図１４】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子中間体の斜視図である。
【図１５】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子中間体の斜視図である。
【図１６】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子中間体の斜視図である。
【図１７】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子中間体の斜視図である。
【図１８】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子中間体の斜視図である。
【図１９】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子中間体の斜視図である。
【図２０】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子中間体の斜視図である。
【図２１】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子中間体の斜視図である。
【図２２】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子中間体の斜視図である。
【図２３】スピン伝導素子の製造方法を説明するためのスピン伝導素子の斜視図である。
【図２４】スピン伝導素子を用いた磁気ヘッド（磁気センサ）を示す図である。
【図２５】スピン伝導素子を用いたスピントランジスタを示す図である。
【図２６】強磁性層周辺の詳細断面構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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、重複する符号は省略する。
【００１８】
図１はスピン伝導素子の斜視図、図２は図１に示したスピン伝導素子のＩＩ−ＩＩ矢印線に沿った断面構成を示す図である。
【００１９】
ベース基板１０Ａ上には、絶縁層４（厚さ２００ｎｍ）が設けられている。絶縁層４上には、直方体或いは四角錐台形状の半導体層３が設けられている。半導体層３は、ＸＹＺ三次元直交座標系において、Ｙ軸方向を長手方向とし、Ｘ軸方向を短手方向とし、Ｚ軸方向を厚み方向としている。半導体層３は、スピンが伝導し拡散するチャンネルとして機能する。半導体層３上には、第１強磁性層１、第２強磁性層２、第１参照電極１Ｍ、及び第２参照電極２Ｍが形成されている。第１強磁性層１、第２強磁性層２、第１参照電極１Ｍ、第２参照電極２Ｍ上には、それぞれ配線Ｗ１、Ｗ２、Ｗ１Ｍ、Ｗ２Ｍが設けられている。
【００２０】
第１強磁性層１及び第２強磁性層２の長手方向は、共にＸ軸方向であり、これらの磁化方向は、例えば、共にＸ軸の正方向に向いている（平行）。もちろん、これらの磁化方向を逆方向に設定する（反平行）こともできる。このようなスピン伝導素子は、伝播中のスピン流が受ける磁場を、出力側の電圧として間接的に検出することで、好適には磁気センサとして利用することができる。また、磁場、磁壁移動、あるいはスピン流によるトルクの効果によって、第１強磁性層１及び第２強磁性層２の磁化方向を任意に変化させることができる。これによって、メモリや演算機能を持たせることもできる。
【００２１】
絶縁層４上には、電極パッドＰ１、Ｐ２、Ｐ１Ｍ、Ｐ２Ｍが設けられている。それぞれの電極パッドＰ１、Ｐ２、Ｐ１Ｍ、Ｐ２Ｍには、配線Ｗ１、Ｗ２、Ｗ１Ｍ、Ｗ２Ｍが電気的に接続されている。
【００２２】
電極パッドＰ１と電極パッドＰ１Ｍとの間には、電子流源Ｅが接続され（図２参照）、配線Ｗ１，Ｗ１Ｍ間にバイアス電圧が印加される。これにより、第１強磁性層１内に電子流源Ｅから電子が注入され、第１強磁性層１の下に位置する第１トンネル障壁層５Ａを透過した電子は、半導体層３内に導入される。このときの電子は、第１強磁性層１内の磁化方向に依存した偏極スピンを有している。半導体層３の内部に形成された内部電界にしたがって、注入された電子は、第１強磁性層１から半導体層３内を通り、第１参照電極１Ｍ内に流れる。
【００２３】
一方、第１強磁性層１の直下の半導体層３内の領域から、スピンも拡散する。このスピンの拡散する方向は、半導体層３内のスピン抵抗ＲＮに依存する。スピンは第１参照電極１Ｍに向けた＋Ｙ方向（矢印Ｓｐ１で示す）と、第２強磁性層２に向けた−Ｙ方向（矢印Ｓｐ２で示す）の双方に拡散する。あるスピンの向きを有するスピン流が、第２強磁性層２方向に拡散すると、これと第２参照電極２Ｍとの間に電圧が発生する。第２強磁性層２と半導体層３との間には、第２トンネル障壁層５Ｂが介在しており、スピン流が直接的に第２強磁性層２に吸収されない構成になっている。スピンの拡散中に外部磁場の影響を受けて、スピンの向きが回転する場合、スピンの向きの第２強磁性層２の磁化方向との一致度に依存して、検出される電圧が変動する。
【００２４】
電極パッドＰ２と電極パッドＰ２Ｍとの間には、電圧検出回路Ｖが接続されている（図２参照）、電圧検出回路Ｖによって配線Ｗ２，Ｗ２Ｍ間の電圧、すなわち第２強磁性層２と第２参照電極２Ｍとの間の電圧が検出される。
【００２５】
ここで、半導体層３には、第１強磁性層１を通るＸＺ平面を基準として、非対称に不純物（ドーパント）が添加されている。すなわち、半導体層３は、第１強磁性層１からその厚み方向に垂直な方向に沿って、これから離れる方向へ広がる第１領域Ｒ１と、第１強磁性層１からその厚み方向に垂直な方向に沿って、第２強磁性層２に向かう方向に延びており、第１領域Ｒ１の不純物濃度よりも相対的に高い不純物濃度を有する第２領域Ｒ１２とを備えている。第２領域Ｒ１２においては、不純物濃度が相対的に高いため、スピン抵抗ＲＮが小さくなり、拡散するスピン流のうちの大きな割合のものが、第２領域Ｒ１２を流れることとなる。
【００２６】
なお、スピン抵抗ＲＮは以下の式で与えられる。
ＲＮ＝（Ｐ２λＮρ）／Ａ
【００２７】
Ｐはスピンの注入・検出効率、λＮは半導体内のスピン拡散長、ρはスピン流の流れる半導体の電気抵抗率、Ａはスピン流の流れる方向に垂直な半導体断面積である。不純物濃度が高くなると、ρが小さくなるため、ＲＮは小さくなる。
【００２８】
第１強磁性層１から第１トンネル障壁層５Ａを介して半導体層３内に注入されたスピンは、不純物濃度が高い領域の方向へ、より高い確率で拡散する。すなわち、第２領域Ｒ１２は、第１強磁性層１から第２強磁性層２に向かう方向に延びているので、この方向の半導体領域のスピン抵抗ＲＮが下がり、スピン流の多くの量は、第２強磁性層２の方向に流れることなる。第２強磁性層２にスピン流が至ることにより発生する出力は、スピン流の大きさに依存するため、このスピン伝導素子では、出力を向上させることが可能となる。
【００２９】
図１及び図２に示した第１領域Ｒ１は、不純物添加前の半導体層３の部分であり、面内方向においては、Ｙ軸方向に関しては、第１強磁性層１における第２強磁性層２側のエッジから＋Ｙ方向に広がり、第１参照電極１Ｍのエッジまで広がっている。幅方向に関しては、第１領域Ｒ１は、第１強磁性層１及び第１参照電極１Ｍの幅方向（Ｘ軸方向）の寸法を含むように広がっている。また、厚み方向に関しては、第１領域Ｒ１は、絶縁層４に到達するまで広がっている。
【００３０】
第２領域Ｒ１２は、第１領域Ｒ１とは逆側に広がっている。図１及び図２に示した第２領域Ｒ１２は、面内方向においては、Ｙ軸方向に関しては、第１強磁性層１における第２強磁性層２側のエッジから広がり、第２強磁性層２のエッジまで広がっている。幅方向に関しては、第２領域Ｒ１２は、第１及び第２強磁性層１，２の幅方向（Ｘ軸方向）の寸法を含むように広がっている。また、厚み方向に関しては、第２領域Ｒ１２は、絶縁層４に到達するまで広がっている。
【００３１】
なお、非対称の不純物分布は、これらの第１及び第２領域Ｒ１、Ｒ１２があれば十分であるが、実施形態においては、更に不純物分布がある。
【００３２】
第２領域Ｒ１２よりも第２参照電極２Ｍ側に広がる半導体領域Ｒ２は、不純物添加前の半導体層３の部分であり、第１領域Ｒ１と同様に低不純物濃度である。図１及び図２に示した半導体領域Ｒ２は、面内方向においては、Ｙ軸方向に関しては、第２強磁性層２における第１強磁性層１側のエッジから−Ｙ方向に広がり、第２参照電極２Ｍのエッジまで広がっている。幅方向に関しては、半導体領域Ｒ２は、第２強磁性層２及び第２参照電極２Ｍの幅方向（Ｘ軸方向）の寸法を含むように広がっている。また、厚み方向に関しては、半導体領域Ｒ２は、絶縁層４に到達するまで広がっている。
【００３３】
実施形態においては、第１参照電極１Ｍ及び第２参照電極２Ｍの直下の領域においても、第２領域Ｒ１２と同様に不純物が添加され、それぞれ半導体領域Ｒ１Ｍ，Ｒ２Ｍを構成している。図１及び図２に示した半導体領域Ｒ１Ｍ，Ｒ２Ｍは、面内方向においては、それぞれ、第１参照電極１Ｍ及び第２参照電極２Ｍの直下の領域に位置している。また、厚み方向に関しては、半導体領域Ｒ１Ｍ，Ｒ２Ｍは、絶縁層４に到達するまで広がっている。
【００３４】
電極直下の領域Ｒ１Ｍ，Ｒ２Ｍにおいて、不純物濃度が比較的高い場合、これらの領域において、電気抵抗が比較的低くなる。この場合、半導体層３と参照電極１Ｍ．２Ｍとが電気的に整合されやすくなる。
【００３５】
半導体層３内における上述の各領域は、全て同一の導電型を有している。半導体層３をＰ型とする場合の不純物として、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎなどが挙げられ、半導体層３をＮ型とする場合の不純物として、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂなどが挙げられる。
【００３６】
半導体層３の露出した側面上には、第１絶縁膜（酸化膜：ＳｉＯ２）ＩＳ１が形成されており、当該側面が保護されている。また、第１絶縁膜１ＩＳＳ及び半導体層３の露出表面上には、更に、保護膜としての第２絶縁膜（酸化膜：ＳｉＯ２）ＩＳ２が形成されている。
【００３７】
図３は、図１に示したスピン伝導素子のＩＩＩ−ＩＩＩ矢印線に沿った断面構成を示す図である。この断面は、参照電極を通るＸＺ断面である。第１参照電極１Ｍの直下の領域には、不純物が添加された半導体領域Ｒ１Ｍが存在している。また、配線Ｗ１Ｍは、電極１Ｍに接触し電気的に接続されると共に、第２絶縁膜ＩＳ２上を這って、電極パッドＰ１Ｍまで延びている。第２絶縁膜ＩＳ２は、この上を通る配線Ｗ１Ｍと半導体層３との不要な接触を防止している。
【００３８】
図３は、第１参照電極１Ｍを通る断面構造を示しているが、第２参照電極２Ｍを通る断面構造もこれと同一である。
【００３９】
すなわち、第２参照電極２Ｍの直下の領域には、不純物が添加された半導体領域Ｒ２Ｍが存在し、配線Ｗ２Ｍは、電極２Ｍに接触し電気的に接続されると共に、第２絶縁膜ＩＳ２上を這って、電極パッドＰ２Ｍまで延びている。第２絶縁膜ＩＳ２は、この上を通る配線Ｗ２Ｍと半導体層３との不要な接触を防止している。
【００４０】
図４は、図１に示したスピン伝導素子のＩＶ−ＩＶ矢印線に沿った断面構成を示す図である。この断面は、強磁性層を通るＸＺ断面である。第１強磁性層１の直下の領域には、不純物が添加されていない半導体領域Ｒ１が存在している。また、配線Ｗ１は、第１強磁性層１に接触し電気的に接続されると共に、第２絶縁膜ＩＳ２上を這って、電極パッドＰ１まで延びている。第２絶縁膜ＩＳ２は、この上を通る配線Ｗ１と半導体層３との不要な接触を防止している。
【００４１】
図４は、第１強磁性層１を通る断面構造を示しているが、第２強磁性層２を通る断面構造もこれと同一である。
【００４２】
すなわち、第２強磁性層２の直下の領域には、不純物が添加されていない半導体領域Ｒ２が存在している。また、配線Ｗ２は、第２強磁性層２に接触し電気的に接続されると共に、第２絶縁膜ＩＳ２上を這って、電極パッドＰ２まで延びている。第２絶縁膜ＩＳ２は、この上を通る配線Ｗ２と半導体層３との不要な接触を防止している。
【００４３】
ここで、第１領域Ｒ１における不純物濃度は１×１０１３／ｃｍ３以上１×１０１８／ｃｍ３未満であり、第２領域Ｒ１２における不純物濃度はＰの場合において１×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下であることが好ましい。不純物濃度の条件はそれぞれの不純物に依存して決定される。第２領域Ｒ１２における不純物濃度は、第１領域Ｒ１の不純物濃度よりも高いが、これらの不純物濃度が上述の範囲にある場合には、半導体のショットキー障壁の影響が小さいため低抵抗であり、高出力が得られるという効果がある。また、第２領域へのスピン流の流れ込みが大きくなるという効果もある。
【００４４】
第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に存在するスピンの向きは、半導体層３に導入される磁場Ｂの影響を受けて回転し、第２強磁性層２側の電圧出力が変動する。第２強磁性層２側の出力を検出する方式としては、（１）磁気抵抗効果測定方式と、（２）スピン流方式がある。上述の方式はスピン流方式（２）であるが、磁気抵抗効果測定方式を採用することもできる。
【００４５】
（１）磁気抵抗効果測定方式の場合、第１電極１Ｍと第２電極２Ｍは用いない。すなわち、これらの形成を省略するか、例え形成した場合においても利用しない。この場合、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、これらの間に電子流を供給する。注入された電子のスピンの偏極方向は、半導体層３の突出部３Ｂを介して内部に導入される磁場Ｂの向きに依存して、回転する。したがって、第１強磁性層１から第２強磁性層２に至る電子量、換言すれば分極率が変化するため、これらの間の半導体の結晶層を含む領域の磁気抵抗が変化する。したがって、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間の電圧を電圧測定回路によって計測することで、半導体層３内に導入された磁場Ｂの大きさを計測することができる。
【００４６】
また、情報の読み出し速度を更に向上させる場合には、上述の図１〜図１０に示したように、スピン流方式を用いる。
【００４７】
（２）スピン流方式では、図１〜図１０に示した通り、第１電極１Ｍと第２電極２Ｍとを用い、第１強磁性層１と第１電極１Ｍとの間には、電子流源Ｅを接続し、第２強磁性層２と第２電極２Ｍとの間には、電圧検出回路（手段）Ｖを接続する。
【００４８】
電子流源Ｅから、第１強磁性層１と第１電極１Ｍとの間に電子流を供給する。この場合、第１強磁性層１の直下の半導体層３からスピン流Ｓｐ１，Ｓｐ２が拡散する。スピン流Ｓｐ２は、半導体層３をチャネル層として伝播し、第２強磁性層２側に至る。スピン流Ｓｐ２の伝播過程でスピンが受けた磁場Ｂに応じて、スピンの向きが回転して、第２強磁性層２と第２電極２Ｍとの間の電圧が変動する。この電圧は、電圧測定回路Ｖによって測定する。したがって、半導体層３内に導入された磁場Ｂの大きさを計測することができる。
【００４９】
次に、第１及び第２強磁性層１，２周辺の詳細構造と、各要素の材料について説明する。
【００５０】
図２６は、強磁性層周辺の詳細断面構造を示す図である。
【００５１】
磁化方向を固定する場合、図２６（Ａ）に示すように、第１トンネル障壁層５Ａ上には、第１強磁性層１、第１反強磁性層１ＡＦ、及び、第１配線Ｗ１が順次積層されている。同様に、磁化方向を固定する場合、図２６（Ｂ）に示すように、第２トンネル障壁層５Ａ上には、第２強磁性層２、第２反強磁性層２ＡＦ、及び、配線層Ｗ２が順次積層されている。強磁性層１，２と、反強磁性層１ＡＦ，２ＡＦとが交換結合することで、磁化方向が固定される。一方の強磁性層を磁化フリー層として機能させる場合には、反強磁性層を用いないで、且つ、強磁性層のアスペクト比を低下させることで、その長手方向に磁化方向が向きやすくなる傾向を抑制し、磁化方向が外部磁場に対して容易に回転するようにすることもできる。
【００５２】
第１及び第２トンネル障壁層５Ａ，５Ｂとして、金属と半導体のショットキー接触時に形成されるショットキー障壁を利用することもできるが、制御性の観点から、厚さが２ｎｍ以下のトンネル絶縁層を用いることが好適である。この場合、第１及び第２トンネル障壁層５Ａ，５Ｂの材料としては、結晶質（単結晶又は多結晶：アモルファスを除く）のＭｇＯの他、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｎＯ、又は、ＭｇＡｌ２Ｏ４などを用いることができ、その厚みは、電子がトンネルするよう、２ｎｍ以下に設定することが好ましい。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。
【００５３】
第１強磁性層１及び第２強磁性層２の材料は、それぞれＣｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉからなる群から選択される金属、群の元素を１以上含む合金、又は、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。一例としては、これらの第１及び第２強磁性層１，２は、ＣｏＦｅ又はＮｉＦｅからなる。これらの材料はスピン分極率の大きい強磁性材料であるため、スピンの注入電極又はスピンの受け取り電極としての機能を好適に実現することが可能である。
【００５４】
反強磁性層１ＡＦ，２ＡＦの材料としては、ＩｒＭｎやＰｔＭｎなどのＭｎ合金を用いることができる。また、形状磁気異方性を利用して磁化方向を固定する場合には、反強磁性層１ＡＦ，２ＡＦは省略することができる。
【００５５】
電極或いは配線層Ｗ１、Ｗ２、Ｗ１Ｍ，Ｗ２Ｍの材料としては、非磁性の金属であればよいが、Ａｌ、Ｃｕ又はＡｕなどを用いることができる。
【００５６】
半導体層３の材料としては、上述のように、結晶欠陥の少ないＳｉが好ましいが、その他Ｇｅなどの半導体の他、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＺｎＯ、ダイヤモンド（Ｃ）又はＳｉＣなどの化合物半導体を採用することも可能である。この中で、半導体層３が、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓからなる場合、これらは良質な単一ドメインの結晶を得ることができることが知られているため、好適である。半導体はスピン拡散長が比較的長いため、チャンネル内に好適にスピンを蓄積することができる。
【００５７】
ベース基板１０Ａは、ＡｌＴｉＣ、Ａｌ２Ｏ３又はＳｉなどの半導体のように絶縁性の高い材料からなる。
【００５８】
絶縁膜４の材料としては、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＭｇＯ、又はＡｌ２Ｏ３などを用いることができるが、絶縁膜であれば特に制限されるものではない。
【００５９】
以上、説明したように、上述の実施形態に係るスピン伝導素子は、半導体層３と、半導体層３上に第１トンネル障壁層５Ａを介して設けられた第１強磁性層１と、半導体層３上に、第１強磁性層１から離間し、且つ、第２トンネル障壁層５Ｂを介して設けられた第２強磁性層２とを備えている。また、検出にスピン流のみを用いる場合、半導体層３上における、第１及び第２強磁性層１，２間の領域の外側の領域に設けられた第１参照電極１Ｍと、半導体層３上における前記外側の領域に設けられた第２参照電極２Ｍと、第１強磁性層１と第１参照電極１Ｍとの間に接続される電子流源Ｅと、第２強磁性層２と第２参照電極２Ｍとの間に接続される電圧検出回路Ｖと、を備え、第１強磁性層１と第１参照電極１Ｍとの間に、第１領域Ｒ１が位置している。
【００６０】
この場合、電子流源Ｅから電子が供給されると、第１強磁性層１における第１トンネル障壁層５Ａの下の半導体内からスピン流が拡散する。スピン流は、第２強磁性層２の方向に流れ、この量に依存して、第２強磁性層２と第２参照電極２Ｍとの間に電圧が発生する。電圧検出回路Ｖは、この電圧を、スピン伝導素子の出力として検出することができる。
【００６１】
上記スピン伝導素子の製造方法について説明する。
まず、ベース基板１０Ａ上に絶縁層４及び半導体層３が積層されたＳＯＩ基板を用意する。半導体層３はＳｉからなる。次に、ＳＯＩ基板上に、フォトリソグラフィ工程を用いてアライメントマークを形成する。しかる後、不純物添加予定領域（Ｒ１Ｍ、Ｒ１２、Ｒ２Ｍ）のみが開口したマスク（ＳｉＯ２）を半導体層３上にパターニングし、このマスクを介して、半導体層３内に不純物を添加する。添加においては、拡散法又はイオン注入法を用いることができる。
【００６２】
不純物を添加後、熱処理（アニール）を行うことで、不純物を活性化させると共に、半導体層３内部において拡散させる。アニール温度は９００℃を用いることができる。不純物が添加されない第１領域Ｒ１における不純物濃度は１×１０１３／ｃｍ３以上１×１０１８／ｃｍ３未満とし、不純物が添加される第２領域Ｒ１２、半導体領域Ｒ１Ｍ，Ｒ２Ｍにおける不純物濃度は１×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下に設定する。
【００６３】
不純物が添加された後は、ＨＦ水溶液によってマスクを除去し、半導体層３の表面を洗浄する。すなわち、半導体層３の表面の付着物、有機物、酸化膜を除去する。アセトンなどの有機溶剤を用いた洗浄や、ＲＣＡ洗浄、ＨＦ水溶液を適用することができる。ＲＣＡ洗浄では、フッ酸水溶液（ＨＦ）を露出表面に接触させた後、アンモニア（ＮＨ４ＯＨ）＋過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を露出表面に接触させ、次に、塩酸（ＨＣ１）＋過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を露出表面に接触させ、最後に純水で洗浄を行う。
【００６４】
製造においては、かかる不純物添加の後、半導体層３上の各層を順次形成する。半導体層３上に絶縁層５Ａ、５Ｂの元となる初期絶縁層を形成し、続いて、強磁性層を初期絶縁層上に形成し、必要に応じて、反強磁性層やバリア層を強磁性層上に形成する。これらの形成には、ＭＢＥ法を用いることができる。例えば、半導体層３上に、ＭｇＯ層、Ｆｅ層，Ｔｉ層、Ｔａ層を順次形成する。しかる後、基板(ウェハ)の洗浄を行う。
【００６５】
更に、半導体層３の平面形状が長方形となるように、フォトリソグラフィを用いて、長方形マスクを半導体層３上に形成し、長方形となる半導体層３の周囲のＳｉを、ＨＦ水溶液を用いてウェットエッチングして除去する。なお、半導体層３の周辺のＳｉを除去する前に、半導体層３上の各層は、イオンミリングやＲＩＥなどのドライエッチングを用いて除去することができる。しかる後、整形された半導体層３の露出側面を酸化し、酸化膜を半導体層３の側面に形成し、これを絶縁層ＩＳ１とする。
【００６６】
次に、露出した強磁性層（バリア層）上に、フォトリソグラフィによってマスクを形成する。このマスクは、強磁性層１，２の形成予定領域の周辺が開口した形状とする。更に、このマスクを用いて、強磁性層をミリング或いは反応性イオンエッチングなどのドライエッチングあるいはウェットエッチングにより除去し、強磁性層１，２を残留させる。このときのエッチングは、初期絶縁層が少なくとも露出するまで行うが、半導体層３が露出するまで行ってもよい。
【００６７】
さらに、半導体層３上に電極形成予定領域が開口したマスクをフォトリソグラフィにより形成し、スパッタ法などにより、開口内に参照電極１，２を形成した後、マスクを除去する。参照電極１，２が半導体層３に接触するように、形成予定領域に初期絶縁層が存在している場合には、フォトリソグラフィによるパターニングを用いて、かかる領域における初期絶縁層を除去しておく。次に、半導体層３の露出表面及び強磁性層１、２の側面上に絶縁層ＩＳ２を更に形成する。
【００６８】
電極パッドＰ１、Ｐ２、Ｐ１Ｍ，Ｐ２Ｍをスパッタ法又は蒸着法により、絶縁層４上に形成し、更に、配線Ｗ１、Ｗ２、Ｗ１Ｍ、Ｗ２Ｍをスパッタ法又は蒸着法により形成し、電極パッドＰ１、Ｐ２、Ｐ１Ｍ，Ｐ２Ｍと各層１，２，１Ｍ，２Ｍを配線Ｗ１、Ｗ２、Ｗ１Ｍ、Ｗ２Ｍによって電気的に接続する。これによりスピン伝導素子が完成する。スピン伝導素子における不純物添加領域は、添加時のマスク形状を変更することで、変えることができ、また、必要に応じて、スピン伝導素子の周囲に磁気シールドを形成することができる。磁気シールドの形成には、スパッタ法などを用いることができる。
【００６９】
次に、上記スピン伝導素子において、不純物濃度分布のみを変更した例について、図５〜図８を用いて説明する。
【００７０】
図５は、図２とは異なる不純物濃度分布を有するスピン伝導素子の断面構成を示す図である。この不純物濃度分布は、図２に示したスピン伝導素子において、熱処理を行うことで、内部の不純物を半導体層３内で拡散させたものであり、Ｙ軸方向に沿って、不純物の分布領域が広がっている。
【００７１】
上述の第２領域Ｒ１２は、第１及び第２強磁性層１の直下領域に重複するように、Ｙ軸方向に広がっている。また、元々の電極直下の半導体領域Ｒ１Ｍ，Ｒ２Ｍの不純物も、Ｙ軸方向に若干拡散し、これらの不純物濃度分布のＹ軸方向の寸法が広がっている。半導体領域Ｒ１Ｍ，Ｒ２Ｍの不純物濃度分布は、大きく広がらなくてもよい。
【００７２】
すなわち、第２領域Ｒ１２は、半導体層３における、第１及び第２強磁性層１，２の直下の領域を一部分含んでいる。この場合、これらの直下の領域においてもスピン抵抗が低下し、スピン流が流れやすくなるため、第２強磁性層２に至るスピン流Ｓｐ２が増加し、出力を向上させることができる。
【００７３】
図６は、更に異なる不純物濃度分布を有するスピン伝導素子の断面構成を示す図である。
【００７４】
本例では、図２に示したものと比較して、第２領域Ｒ１２を、第２参照電極側の半導体領域Ｒ２Ｍまで広げたものである。この場合においても、第１強磁性層１から第２強磁性層２に至るまでの第２領域Ｒ１２の不純物濃度は、第１領域Ｒ１の不純物濃度よりも高いので、第２強磁性層２側に流れるスピン流Ｓｐ２は、第１参照電極１Ｍ側に流れる電流よりも多くなる。また、第２領域Ｒ１２が、上記の如く広がった場合には、電圧ノイズが小さいという効果がある。
【００７５】
図７は、更に異なる不純物濃度分布を有するスピン伝導素子の断面構成を示す図である。
【００７６】
本例では、図６に示したものと比較して、各電極（第１強磁性層１、第２強磁性層２、第１参照電極１Ｍ、第２参照電極２Ｍ）の直下に全て不純物を添加したものである。なお、参照電極１Ｍ，２Ｍの直下においては、前述の例においても、不純物は添加されていたので、便宜上、これらの領域に関しては、参照電極１，２直下の浅い領域をＲ１Ｍ’、Ｒ２Ｍ’とし、深い領域をＲ１Ｍ，Ｒ２Ｍとする。浅い領域Ｒ１Ｍ’、Ｒ２Ｍ’と、深い領域Ｒ１Ｍ，Ｒ２Ｍの不純物濃度は同一であってもよいが、スピン抵抗が表層側で小さくなるように、浅い領域Ｒ１Ｍ’、Ｒ２Ｍ’の不純物濃度を、深い領域Ｒ１Ｍ，Ｒ２Ｍの不純物濃度よりも相対的に増加させることもできる。これにより電極１Ｍ，２Ｍと半導体層３の電気的整合を容易にとることができる。
【００７７】
また、第１強磁性層１の直下の浅い領域をＲ１２１、第２強磁性層２の浅い領域をＲ１２２とすると、これらの領域よりも深い領域に位置する第２領域Ｒ１２よりも高い不純物濃度とすることができる。もちろん、領域Ｒ１２、Ｒ１２１、Ｒ１２２の不純物濃度は同一であってもよい。第１及び第２強磁性層１，２の直下の領域においてもスピン抵抗が低減されているので、多くのスピン流Ｓｐ２を第２強磁性層２の方向へ流すことができる。すなわち、第２領域Ｒ１２は、半導体層３における、第１及び第２強磁性層１，２の直下の領域を全て含んでいるので、これらの直下の領域においてもスピン抵抗が低下し、スピン流が流れやすくなるため、第２強磁性層２に至るスピン流Ｓｐ２が増加し、出力を向上させることができる。
【００７８】
図８は、更に異なる不純物濃度分布を有するスピン伝導素子の断面構成を示す図である。
【００７９】
本例では、図７に示したものと比較して、不純物が添加されていない表層の領域をエッチングなどで除去するか、或いは、不純物が添加された浅い半導体領域Ｒ１Ｍ、Ｒ２Ｍ、Ｒ１２１、Ｒ１２２を、元々の半導体層３上にエピタキシャル成長したものである。この構造の場合、半導体層３の表層に低濃度領域がないため、かかる領域を伝播するスピン流がなくなり、スピン流Ｓｐ２の第２強磁性体２の方向への伝達効率が高くなる。なお、エッチングにはウェットエッチングの他、ミリングや反応性イオンエッチングなどのドライエッチングを用いることができ、また、エピタキシャル成長には、従来から知られるスパッタ法やＣＶＤ法を用いることができる。
【００８０】
図９は、上述の基本構造を有すると共に、磁気センサとして機能するスピン伝導素子の斜視図である。電極パッドＰ１，Ｐ２，Ｐ１Ｍ，Ｐ２Ｍは、半導体層３を境界として同一の側に配置されており、これらの電極パッドＰ１，Ｐ２，Ｐ１Ｍ，Ｐ２Ｍとは逆側には、半導体層３は突出部３Ｂを有している。この素子の電気的な接続は、図２に示した通りである。
【００８１】
半導体３は、本体部３Ａと突出部３Ｂとを備えている。本体部３Ａの形状はＹ軸方向を長手方向とし、Ｘ軸方向を短手方向とし、Ｚ軸方向を厚み方向とする四角錐台或いは直方体である。突出部３Ｂの平面形状は、四角錐台或いは台形柱であり、平面視では、媒体対向面側の大きさが小さくなった台形である。この台形は、媒体対向面とＸＹ平面との交線を上底とし、また本体部に連続しているため実際には下底はないが、仮想的には本体部３Ａとの境界線を台形の下底とみなすことができる。突出部３Ｂは、磁気記録媒体に対向する部位であり、かかる箇所を通じて、半導体層３内に磁場Ｂが導入される。
【００８２】
半導体層３内に磁場が導入されると、第１強磁性層１から強磁性層２に向かうスピン流Ｓｐ２は、磁場Ｂの影響を受け、スピンの向きが回転する。スピンの向きの回転量は、磁場の大きさに比例し、出力電圧は、回転したスピンの磁化方向と第２強磁性層２の磁化方向と一致するので、出力電圧は、間接的に磁場Ｂの大きさを計測していることになる。
【００８３】
また、ベース基板１０Ａには、半導体層３の長手方向を囲むように、磁気シールドＳＨが設けられており、突出部３Ｂのみが磁気シールドＳＨを貫通して、磁気記録媒体に対向している。ここで、ベース基板１０ＡをＳｉからなることとし、絶縁層４をＡｌ２Ｏ３などとし、半導体層３を絶縁層４上にエピタキシャル成長したＳｉ層とすると、この基板はＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板を構成することとなる。ＳＯＩ基板では、半導体層３の厚みを薄く設定することがでるので、通常の半導体基板のような深い位置の影響が少なく、ノイズが減少するという利点がある。半導体層３の厚みは、ノイズを抑制するという観点から、０．４ｎｍ以上７０ｎｍ以下であることが好ましいが、これよりも大きな値、例えば１００ｎｍとすることも可能である。なお、ベース基板１０Ａを磁気シールド材料から構成することもできる。
【００８４】
なお、不純物濃度分布については、上述の例（図１〜図８）のものと同じであるが、突出部３Ｂにおいては、スピン流Ｓｐ２を第２強磁性層２に向かわせる位置に存在していないので、格段に不純物を添加する必要はなく、不純物添加前の低不純物濃度の状態、すなわち上述の第１領域Ｒ１と同じ濃度でよい。
【００８５】
ここで、半導体層３は、絶縁層４上に成長したエピタキシャル層からなるが、これはバルクから切り出した単一ドメインの結晶層からなる半導体膜を、絶縁層４に貼り付けることにより、構成することもできる。
【００８６】
図１０は、単一ドメインの半導体結晶層を半導体層３として用いたスピン伝導素子の斜視図である。
【００８７】
図１０に示すスピン伝導素子は、図９に示したベース基板１０Ａと絶縁層４との間に、磁気シールド１０Ｂ及び絶縁層１０Ｃが設けられ、半導体層３として単一ドメインの半導体結晶層を用いた点のみが、図９に示した磁気センサと異なり、その他の構成は、図９に示したものと同一である。なお、説明において、磁気シールドＳＨの詳細構造は、図２３を参照する。また、この素子の電気的な接続は、図２に示した通りである。
【００８８】
この磁気センサは、ベース基板１０と、ベース基板１０に絶縁膜４を介して貼り付けられた単一ドメインのバルクの結晶層からなる半導体層３とを備えている。ベース基板１０は、下部ベース基板１０Ａ、下部磁気シールド１０Ｂ、及び、上部ベース基板１０Ｃを積層してなる。半導体層３における絶縁膜４とは反対側の表面上には、第１トンネル障壁層５Ａを介して第１強磁性層１が形成されており、同様に、半導体層３における絶縁膜４とは反対側の表面上には、第２トンネル障壁層５Ｂを介して第２強磁性層２が形成されている。
【００８９】
図２３に示されるように、ベース基板１０の外側からの磁場の半導体層３への導入は、磁気シールド１０Ｂにより抑制され、媒体対向面側からの磁場の半導体層３への導入は、磁気シールドＳＨ１により抑制され、ベース基板１０の磁気シールド１０Ｂとは逆側からの半導体層３への磁場の導入は、磁気シールドＳＨ２により抑制される。
【００９０】
ここで、本例の半導体層３は、絶縁層上への薄膜成長によって形成されるのではない。半導体層３は、ＣＺ（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法あるいはＦＺ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｚｏｎｅ）法により作製された単結晶インゴッドをスライスして切り出したものを用いる。半導体層３は、必要に応じて、貼り合わせ後に研磨を行うことで、薄膜化することができる。すなわち、半導体層３を、単一ドメインの単結晶から製造するように、絶縁層上への結晶成長を用いず、別の工程において、半導体層３を作製しておき、これをベース基板１０に絶縁膜４を介して貼り付ける。別工程としては、例えばＭＢＥ法を用いた結晶成長法を用いることができる。
【００９１】
バルクの半導体結晶層の結晶性は、絶縁膜上への薄膜成長を用いて形成したものの結晶性よりも高くなる。したがって、この半導体層３をスピン伝導層として利用すれば、スピン伝導特性が改善し、出力の向上、磁場解像度の向上及び素子作製における制約が緩和される。
【００９２】
第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に電子を流した場合、そのスピンが上記磁場Ｂにより回転し、出力が変動するが、半導体層３は単一ドメインのバルク結晶からなるので、その結晶性は、結晶成長により作製したＳＯＩ基板の場合の半導体の結晶層よりも高くなる。したがって、スピン伝導特性を改善することができ、より精密な計測を行うことができる。
【００９３】
この構造のスピン伝導型磁気センサでは、Ｘ軸の負方向側のＹＺ平面が、媒体対向面（ＡＢＳ）を構成している。媒体対向面が対向する磁気記録媒体から、突出部３Ｂを介して半導体層３のチャネルである本体部３Ａ内に磁場Ｂが導入される。半導体の結晶層本体部３Ａにおいて、スピンの偏極が回転する。
【００９４】
したがって、出力電圧は、半導体層３内に導入された磁場の大きさに依存することとなり、磁気センサとして機能する。ここで、半導体の結晶層はバルクからなるので、その結晶性は、結晶成長により作成したＳＯＩ基板の場合の半導体の結晶層の結晶性よりも高い。したがって、スピン伝導特性を改善することができ、より精密な計測を行うことができる。
【００９５】
このように、半導体層３は、磁気ヘッドにおける媒体対向面側に先端部が位置する突出部３Ｂを有している。この場合、突出部３Ｂを介して、上記磁場Ｂを半導体層３内部に導入することができる。
【００９６】
特に、突出部３Ｂ以外の半導体層３である本体部３Ａは、磁気シールドＳＨ（１０Ｂを含む）によりＹ軸まわりに囲まれており、磁場の影響を受けにくくなっている。すなわち、この磁気センサは、突出部３Ｂが内部に位置する貫通孔ＴＨ（図２３参照）を有する磁気シールドＳＨ１（ＳＨ）を更に備えており、この貫通孔ＴＨは、半導体層３における第１強磁性層１と第２強磁性層２との間の領域の側方（Ｘ軸負方向）に位置している。媒体対向面における貫通孔ＴＨの一辺の長さ（Ｙ軸方向の長さ）を例えば０．００５μｍ〜０．１μｍとし、他辺の長さ（Ｚ軸方向の長さ）を例えば０．００１μｍ〜０．１μｍとすることができる。半導体層３の側方には磁気シールドＳＨ（特に側部磁気シールドＳＨ１：図２３参照）が位置しているため、突出部３Ｂ以外からは磁場が内部に導入されず、正確な測定が可能となる。
【００９７】
次に、磁気シールド等の材料について説明する。
【００９８】
下部ベース基板１０Ａは、ＡｌＴｉＣ、Ａｌ２Ｏ３又はＳｉなどの半導体のように絶縁性の高い材料からなる。
【００９９】
下部磁気シールド１０Ｂを含む磁気シールドＳＨの材料は、例えばＮｉ及びＦｅを含む合金、センダスト、Ｆｅ及びＣｏを含む合金、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉを含む合金等の軟磁性体材料からなり、一例としてはＮｉＦｅからなる。なお、側部に立設された側部磁気シールドＳＨ１のＺ軸方向の厚みは、半導体層３の厚みよりも大きく、例えば０．０２μｍ〜１μｍである。同様に上部磁気シールドＳＨ２と、下部磁気シールド１０ＢのＺ軸方向の厚みも、それぞれ０．０２μｍ〜１μｍである。
【０１００】
上部ベース基板１０Ｃは、下部磁気シールド１０Ｂ内に埋め込まれた絶縁層からなり、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＭｇＯ、又はＡｌ２Ｏ３などを用いることができる。なお、下部磁気シールド１０Ｂは、上部ベース基板１０Ｃの下面に接触する第１磁気シールド１０Ｂ１と、側面に接触する第２磁気シールド１０Ｂ２からなり、ＸＺ断面の形状はＬ字型である。
【０１０１】
半導体層３の厚みは、０．４ｎｍ以上７０ｎｍ以下である。この場合、バックグラウンド電圧を低く抑えることができるという利点がある。半導体層３の厚みが薄すぎる場合には、単結晶の膜として存在できないという課題があるため、これは０．４ｎｍ以上であることが好ましい。すなわち、磁気センサにおいて、半導体層３の厚みを薄くすることには利点がある。従来のＳＯＩ基板のように、絶縁層上に半導体の結晶層を結晶成長させた場合、薄くしすぎると、半導体の結晶層の結晶性が十分ではない。一方、バルクの半導体層３を用いた場合には、厚みを薄くしても、高い結晶性を有しているので、十分にノイズを低下させることができる。
【０１０２】
次に、磁気センサの製造方法について、図１１〜図２３を参照して説明する。
【０１０３】
まず、図１１に示すように、下部ベース基板１０Ａを用意する。本例では、下部ベース基板１０Ａは、ＡｌＴｉＣからなることとする。同図では、長方形で板状の下部ベース基板１０Ａが示されているが、これは最終的にダイシングを行った後の形状であり、実際に最初に用意される基板は直径６インチのウェハである。また、下部ベース基板１０Ａとして、ＳＯＩ基板を用いることも可能である。この下部ベース基板１０Ａに適当なアライメントマークを形成しておき、これを以後のパターニングの基準として使用する。
【０１０４】
次に、図１２に示すように、下部磁気シールド１０Ｂとなる磁性層１０Ｂ’を下部ベース基板１０Ａ上に形成する。この磁性層１０Ｂ’は、軟磁性体からなり、例えば、ＮｉＦｅからなる。形成方法としては、スパッタ法などを用いることができる。
【０１０５】
しかる後、図１３に示すように、磁性層１０Ｂ’を、そのＸＺ断面がＬ字型となるように加工し、Ｙ軸に平行に延びた境界線を有する段差を形成する。この加工には、Ａｒを用いたイオンミリング法又は公知の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いることができる。
【０１０６】
次に、図１４に示すように、絶縁体からなる上部ベース基板１０Ｃを、下部磁気シールド１０Ｂの上面の全面上に形成した後、ＸＹ平面に平行な研磨面を有する研磨部材を用いて、絶縁体からなる上部ベース基板１０Ｃを、第２磁気シールド１０Ｂ２の表面が露出するまで化学機械研磨（ＣＭＰ）し、露出表面を平坦化する。
【０１０７】
次に、貼り合わせ用のバルクの結晶層からなる半導体層（半導体基板）３を用意する。この半導体層３は、ＦＺ法あるいはＣＺ法で作製された単結晶半導体基板であり、本例ではＳｉである。この半導体層３（例：厚さ１００ｎｍ）の表面を熱酸化することで、表面にＳｉＯ２からなる絶縁層４（例：厚さ２０ｎｍ）を形成する。絶縁層４の形成方法はスパッタ法や化学的気相成長（ＣＶＤ）法を用いてもよい。この半導体層３は必要に応じてダイシングして適当な大きさに加工され、図１５に示すように、前述のベース基板１０の表面に貼り付ける。
【０１０８】
ベース基板１０の最表面には絶縁体からなる上部ベース基板１０Ｃが位置しており、半導体層３の表面には絶縁層４が形成されている。したがって、これらの絶縁体を接触させて、熱と圧力を加えることで、ベース基板１０に、半導体層３が固定される。
【０１０９】
更に、半導体層３の露出表面を洗浄する。この洗浄には、いわゆるＲＣＡ洗浄を用いることができる。ＲＣＡ洗浄では、フッ酸水溶液（ＨＦ）を露出表面に接触させた後、アンモニア（ＮＨ４ＯＨ）＋過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を露出表面に接触させ、次に、塩酸（ＨＣ１）＋過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を露出表面に接触させ、最後に純水で洗浄を行う。ここで、上述の不純物添加を行う。
【０１１０】
すなわち、不純物添加予定領域のみが開口したマスク（ＳｉＯ２）を半導体層３上にパターニングし、このマスクを介して、半導体層３内に不純物を添加する。添加においては、拡散法又はイオン注入法を用いることができる。不純物を添加後、熱処理（アニール）を行うことで、不純物を活性化させると共に、半導体層３内部において拡散させる。アニール温度は９００℃を用いることができる。不純物が添加された後は、ＨＦ水溶液によってマスクを除去し、半導体層３の表面を洗浄する。製造においては、かかる不純物添加の後、半導体層３上の各層を順次形成する。
【０１１１】
しかる後、半導体層３の表面上に、分子線ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法を用いて、トンネル障壁層５としてＭｇＯ（１ｎｍ〜１．５ｎｍ）を形成し、続いて、トンネル障壁層５上に、Ｆｅ（５ｎｍ〜１０ｎｍ）を形成し、この上にＴｉ層（３ｎｍ）を形成し、更に、スパッタ法を用いて、この上にＣｏＦｅ層、Ｒｕ層、ＣｏＦｅ層を順次形成して、強磁性層６（パターニング整形後に強磁性層１，２となる）を形成する。更に、必要に応じて、強磁性層６を構成する最表面のＣｏＦｅ層上に反強磁性層（ＩｒＭｎ）を形成し（図２６参照：反強磁性層１ＡＦ，２ＡＦ）、更に、Ｒｕ層及びＴａ層をバリア膜ＢＲとして反強磁性層上に形成する（図２６参照）が、構造の明瞭化のため図１５には図示していない。
【０１１２】
次に、強磁性層６の磁化方向を固定するため、磁場下でのアニールを行う。例えば、Ｙ軸負方向に磁化方向を固定することとする。
【０１１３】
次に、図１５に示すように、フォトレジストを塗布してからこれのパターニングを行い、強磁性層６（バリア層）上にマスクＲ１を形成する。このマスクＲ１を用いて、マスクＲ１で被覆されていない各層６、５、３の領域をイオンミリングして除去し、図１６に示すように、絶縁層４を露出させる。なお、イオンミリングと併用して化学的なエッチングを用いることもできる。
【０１１４】
しかる後、露出した半導体層３の側面を被覆する絶縁層ＩＳ１（厚さ２０ｎｍ：図２〜図４参照）を形成してから、マスクＲ１を除去する。
【０１１５】
次に、図１６に示すように、フォトレジストを塗布してからこれのパターニングを行い、強磁性層６（バリア層）上に第２のマスクＲ２を形成する。このマスクＲ２は、Ｘ軸方向に延びた一対の領域からなる。マスクＲ２を用いて、強磁性層６（バリア層）の露出領域を、イオンミリングあるいは化学的なエッチングによって、トンネル障壁層５或いは半導体層３が露出するまで除去し、露出した半導体層３を被覆する絶縁層ＩＳ２（厚さ２０ｎｍ：図２〜図４参照）を形成してから、次に、マスクＲ２を除去する。
【０１１６】
図１７に示すように、ここで残留した強磁性層を、第１強磁性１及び第２強磁性層２とする。スピン流型の検出を行う場合、図１８に示すように、露出した半導体層３の表面上に、それぞれ第１電極１Ｍ及び第２電極２Ｍを形成する。この形成には、スパッタ法や蒸着法を用いることができる。なお、電極形成予定領域に、トンネル障壁層あるいは絶縁層が露出して残留している場合には、これらの領域のトンネル障壁層或いは絶縁層をフォトレジストを用いたパターニングとエッチングによって除去する。
【０１１７】
更に、図１９に示すように、ベース基板１０上の半導体層３から離間した適当な位置に、蒸着法などで４つの電極パッドＰ１，Ｐ２，Ｐ１Ｍ，Ｐ２Ｍを形成する。次に、これらの電極パッドＰ１，Ｐ２，Ｐ１Ｍ，Ｐ２Ｍと、上記第１強磁性層１、第２強磁性層２、第１電極１Ｍ、第２電極２Ｍを、それぞれ配線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ１Ｍ，Ｗ２Ｍを用いて接続する。すなわち、配線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ１Ｍ，Ｗ２Ｍの一端部は、図１９に示すように、各層１、２、１Ｍ、２Ｍに電気的及び物理的に接続される。
【０１１８】
次に、図２０に示すように、リフトオフプロセスを用いて、強磁性電極１，２及び電極１Ｍ，２Ｍの媒体対向面側の表面を覆うように、厚さ２０ｎｍの絶縁膜ＰＦをこれらの上に形成する。これは強磁性層１，２及び電極１Ｍ，２Ｍが、次のプロセスで側部磁気シールド層ＳＨ１と電気的に接触することを防ぐためであり、絶縁膜ＰＦは例えばＳｉＯ２からなる。
【０１１９】
次に、図２１に示すように、Ｙ軸に沿って延びた側部磁気シールド層ＳＨ１によって、突出部３Ｂ形成領域以外の媒体対向面側の絶縁膜４の表面を被覆する。側部磁気シールド層ＳＨ１は、第２磁気シールド１０Ｂ２上に、絶縁膜４を介して形成される。側部磁気シールド層ＳＨ１の形成においては、この形成領域のみが開口したマスクパターンをフォトレジストで基板表面上に形成し、開口内に側部磁気シールドを構成する軟磁性材料を堆積し、しかる後、フォトレジストを除去すればよい。軟磁性材料の堆積にはスパッタ法を用いることができる。
【０１２０】
次に、図２２示すように、必要に応じてスペーサとしての絶縁膜ＳＰを、スパッタ法を用いて露出した基板表面上に形成し、絶縁膜ＳＰで各種配線を被覆し、絶縁膜ＳＰの露出表面を化学機械研磨し、平坦化する。このとき、側部磁気シールドＳＨ１と絶縁膜ＳＰのＺ軸方向の高さが同じになることが好ましい。
【０１２１】
次に、図２３に示すように、側部磁気シールドＳＨ１と絶縁膜ＳＰのＺ軸正方向の露出表面上に、上部磁気シールドＳＨ２を形成する。この形成には、スパッタ法を用いることができる。以上の工程により、磁気センサが完成する。なお、上述の各磁気シールド１０Ｂ、ＳＨ１，ＳＨ２は、磁気シールド層であり、一定の厚みを有している。
【０１２２】
図２４は、磁気センサを備えた磁気ヘッドの縦断面図である。
【０１２３】
磁気記録媒体２０は、記録面２０ａを有する記録層２０ｂと、記録層２０ｂに積層される軟磁性の裏打ち層２０ｃとを含んで構成されており、図２４中Ｚ軸方向で示す方向に、薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａに対して相対的に進行する。薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａは、磁気記録媒体２０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２０への記録を行う記録ヘッド部１００ｂを備えている。読取ヘッド部１００ａ及び記録ヘッド部１００ｂは、支持基板１０１上に設けられており、アルミナ等の非磁性絶縁層ＩＮＳにより覆われている。
【０１２４】
上述の磁気センサは、磁気ヘッド内に組み込まれ、読取ヘッド部１００ａを構成している。支持基板１０１上に、磁気センサが読取ヘッド部１００ａとして形成されており、その上に絶縁層ＩＮＳを介して、書き込み用の記録ヘッド部１００ｂが形成されている。記録ヘッド部１００ｂにおいて、リターンヨーク３０上にコンタクト部３２及び主磁極３３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３２を取り囲むように薄膜コイル３１が設けられており、薄膜コイル３１に記録電流を流すと主磁極３３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２０の記録層２０ｂに情報を記録することができる。
【０１２５】
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。
【０１２６】
また、第１強磁性層及び第２強磁性層の磁化方向は、これらの形状異方性（アスペクト比を高くする）か、あるいは反強磁性膜と強磁性層とを交換結合することで、固定することができる。また、半導体層３におけるスピン緩和時間は１ｎｓｅｃ以上である。
【０１２７】
以上、単一ドメインの結晶層をスピン伝導チャネルとして用いた場合、Ｓｉ以外の材料の場合においても、スピン伝導特性を改善することができるが、特に、Ｓｉなどの立方晶のダイヤモンド構造や、ＧａＡｓなどの閃亜鉛鉱構造の半導体は、良質なバルク結晶が数多く製造され、市販されているため、チャネル材料としては好ましい。
【０１２８】
以上、説明したように、上述のスピン伝導素子においては、半導体層３内において、均一にスピンを拡散させるのではなく、半導体中の不純物濃度を非対称に分布させることにより、半導体層３中に注入されたスピンの分流効果を抑制して、原理的には最大２倍の出力を得ることができる。
【０１２９】
図２５は、スピン伝導素子を用いたスピン電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を示す図である。
【０１３０】
このスピンＦＥＴは、図１〜図８に示したスピン伝導素子における主要部（基板１０Ａ、絶縁層４、半導体層３、第１、２トンネル障壁層５Ａ、５Ｂ、強磁性層１，２）を同様に備えている。ここで、半導体層３はＰ型に設定されており、これにＮ型の不純物が添加されたソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄが形成されている。上述のトンネル障壁層５Ａ、５Ｂは、それぞれ半導体層３のソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄ上に形成され、それぞれのトンネル障壁層５Ａ，５Ｂ上に、強磁性層１，２が形成されている。第１及び第２強磁性層１，２間における半導体層３の電位を制御するため、これらの間の領域上にはゲート絶縁膜ＩＧを介してゲート電極Ｇが形成されている。
【０１３１】
ソースＳからドレインＤに流れるスピン偏極した電子流ｅの量は、ゲート電圧によって制御することができるが、このときのスピン流Ｓｐ２も大きくなるように、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間の第２領域Ｒ１２にＮ型の不純物が添加してあり、これとは逆側の第２領域Ｒ１には不純物は意図的には添加していない。また、第２強磁性層２は、フリー層とされており、図示しない外部磁場又はスピン注入構造により、その磁化方向を制御することができる。フリー層の磁化方向を制御することで、このフリー層内に流れ込む電子量を制御することができる。
【０１３２】
このトランジスタは、低濃度の不純物がゲート直下に添加されているため、ノーマリオンのトランジスタとして機能するが、ゲート電圧の印加によって、その電子量を調整することができる。また、上述のスピン伝導デバイスは、磁気センサ、スピントランジスタの他、メモリや論理回路にも応用することが可能と考えられる。
【０１３３】
なお、第１及び第２強磁性層１，２は、Ｘ方向とＹ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ることができる。
【符号の説明】
【０１３４】
３…半導体層、５Ａ…第１トンネル障壁層、１…第１強磁性層、５Ｂ…第２トンネル障壁層、２…第２強磁性層、Ｒ１…第１領域、Ｒ１２…第２領域。
【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、且つ、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、
を備え、
前記半導体層は、
前記第１強磁性層からその厚み方向に垂直な方向に沿って、前記第１強磁性層から離れる方向へ広がる第１領域と、
前記第１強磁性層からその厚み方向に垂直な方向に沿って、前記第２強磁性層に向かう方向に延びており、前記第１領域の不純物濃度よりも相対的に高い不純物濃度を有する第２領域と、
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２領域は、前記半導体層における、前記第１及び第２強磁性層の直下の領域を含む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】
前記半導体層上における、前記第１及び第２強磁性層間の領域の外側の領域に設けられた第１参照電極と、
前記半導体層上における前記外側の領域に設けられた第２参照電極と、
前記第１強磁性層と前記第１参照電極との間に接続される電子流源と、
前記第２強磁性層と前記第２参照電極との間に接続される電圧検出回路と、
を備え、
前記第１強磁性層と前記第１参照電極との間に、前記第１領域が位置している、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のスピン伝導素子。
【請求項４】
前記第１領域における不純物濃度は１×１０１３／ｃｍ３以上１×１０１８／ｃｍ３未満であり、
前記第２領域における不純物濃度は１×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下である、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスピン伝導素子。
【請求項５】
前記第１及び第２トンネル障壁層は、それぞれＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｎＯ、又は、ＭｇＡｌ２Ｏ４からな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、且つ、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、
を備え、
前記半導体層は、
前記第１強磁性層からその厚み方向に垂直な方向に沿って、前記第１強磁性層から離れる方向へ広がる第１領域と、
前記第１強磁性層からその厚み方向に垂直な方向に沿って、前記第２強磁性層に向かう方向に延びており、前記第１領域の不純物濃度よりも相対的に高い不純物濃度を有する第２領域と、
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２領域は、前記半導体層における、前記第１及び第２強磁性層の直下の領域を含む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】
前記半導体層上における、前記第１及び第２強磁性層間の領域の外側の領域に設けられた第１参照電極と、
前記半導体層上における前記外側の領域に設けられた第２参照電極と、
前記第１強磁性層と前記第１参照電極との間に接続される電子流源と、
前記第２強磁性層と前記第２参照電極との間に接続される電圧検出回路と、
を備え、
前記第１強磁性層と前記第１参照電極との間に、前記第１領域が位置している、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のスピン伝導素子。
【請求項４】
前記第１領域における不純物濃度は１×１０１３／ｃｍ３以上１×１０１８／ｃｍ３未満であり、
前記第２領域における不純物濃度は１×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下である、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスピン伝導素子。
【請求項５】
前記第１及び第２トンネル障壁層は、それぞれＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｎＯ、又は、ＭｇＡｌ２Ｏ４からな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。
【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２４】
【図２５】
【図２６】
【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２４】
【図２５】
【図２６】
【公開番号】特開２０１２−２２７４３９（Ｐ２０１２−２２７４３９Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９５４２３（Ｐ２０１１−９５４２３）
【出願日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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