スピン伝導素子
【課題】外部磁場が半導体チャンネルに侵入することに起因するノイズやエラーを抑制することが可能なスピン伝導素子を提供すること。
【解決手段】磁気抵抗を利用したスピン伝導素子１は、スピンを半導体チャンネルに注入するための第一強磁性体１２Ａと、スピンを半導体チャンネルから抽出するための第二強磁性体１２Ｂと、第一強磁性体１２Ａから第二強磁性体１２Ｂまで延びる半導体チャンネル７と、第二強磁性体１２Ｂ、及びあるいは、半導体チャンネル７を覆う磁気シールドＳ１と、第二強磁性体１２Ｂ、及びあるいは、半導体チャンネル７と磁気シールドＳ１との間に設けられた絶縁膜と、を備えることを特徴とする。
【解決手段】磁気抵抗を利用したスピン伝導素子１は、スピンを半導体チャンネルに注入するための第一強磁性体１２Ａと、スピンを半導体チャンネルから抽出するための第二強磁性体１２Ｂと、第一強磁性体１２Ａから第二強磁性体１２Ｂまで延びる半導体チャンネル７と、第二強磁性体１２Ｂ、及びあるいは、半導体チャンネル７を覆う磁気シールドＳ１と、第二強磁性体１２Ｂ、及びあるいは、半導体チャンネル７と磁気シールドＳ１との間に設けられた絶縁膜と、を備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果を利用したスピン伝導素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
スピン伝導素子は、例えばＨＤＤヘッド、磁気センサー、ＭＲＡＭなどの各種製品に応用されている。スピン伝導素子には、電流に付随したスピン流を用いるものと、スピン流のみを用いるものが知られている。スピン流を利用した素子として、非磁性導電体上に、この非磁性導電体のスピン拡散長よりも短い間隔を置いて２つの強磁性体を配置されたものが知られている（例えば下記特許文献１を参照）。また、非磁性導電体内を比較的長い距離にわたって伝導するスピンを用いるデバイスとして、例えばスピンＭＯＳ−ＦＥＴが知られている（例えば、下記特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３８１８２７６号公報
【特許文献２】特許第４１４３６４４号公報
【特許文献３】特願２０１０−０８６３０１号
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ ９８，２６２５０３（２０１１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したような非磁性導電体内を比較的長い距離にわたって伝導するスピンを用いるデバイスにおいて、外部磁場に起因してスピンが回転するという現象が知られている（いわゆるＨａｎｌｅ効果）。特に、スピン寿命が比較的長い半導体チャンネルを伝導したスピンでは、非常に弱い外部磁場の影響であってもスピンが回転する。従って、強磁性体電極の磁化情報を保持するスピンが半導体チャンネルを伝導する際に回転してしまい、正確にこの磁化情報が伝達できない、あるいはノイズの原因になるといった問題があった（非特許文献１を参照）。これを解決する方法として、個々の素子に磁気シールドを設置するという方法を我々は提案している（特許文献３を参照）。しかしながら、従来の素子全体に磁気シールドを設置した場合、スピン伝導の指標であるスピン輸送距離が磁気シールドを設置しない場合に比べて短くなるため、特性が劣化するという問題があることがわかった。
【０００６】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、スピン輸送距離を劣化させずに半導体チャンネルに侵入する外部磁場に起因するノイズやエラーを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本発明の磁気抵抗を利用したスピン伝導素子は、電子とスピンを半導体チャンネルに注入する第一強磁性体と、電子とスピンを半導体チャンネルから抽出する第二強磁性体と、第一強磁性体から第二強磁性体まで延びる半導体チャンネルと、第二強磁性体と半導体チャンネルの界面付近を外部磁場から保護する磁気シールドを備えることを特徴とする。
【０００８】
この構成により、チャネル内を伝導するスピンが外部磁場の影響によって回転することを抑制できる。よって磁気抵抗効果を利用したスピン伝導素子において外部磁場に起因するノイズやエラーを抑制することができ、外部磁場の影響から情報を保護できる。また、スピン輸送距離の劣化も抑制することができる。
【０００９】
ここで、磁気シールドは、第二強磁性体の磁化の向きと平行な半導体チャンネルにおける面を覆うことが好ましい。
【００１０】
この構成により、半導体チャンネル内を伝導するスピンが外部磁場によって回転することを効率よく抑えることができる。
【００１１】
また、磁気シールドの材料は、Ｎｉ、Ｆｅ、及びＣｏからなる群から選択される１以上の元素を含む軟磁性材料であることが好ましい。
【００１２】
これらの軟磁性材料を用いることにより、半導体チャンネルに侵入する外部磁場を充分に遮蔽することができる。
【００１３】
また、第一強磁性体と第二強磁性体の距離は、スピン輸送距離よりも短いことが好ましい。
【００１４】
また、第一強磁性体及び第二強磁性体の材料は下記（１）〜（３）のいずれかであることが好ましい。
（１）Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群から選択される金属
（２）Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群の元素を１以上含む合金
（３）Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群から選択される１以上の元素と、Ｂ、Ｃ、及びＮ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
【００１５】
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。
【００１６】
また、半導体チャンネルの材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃ、及びＺｎＯからなる群から選択される１以上の半導体を含む材料であることが好ましい。
【００１７】
これらの材料はスピン拡散長が比較的長いため、半導体チャンネル内にスピンを好適に伝達、蓄積できる。
【００１８】
また、第一強磁性体及び第二強磁性体の少なくとも一方と半導体チャンネルとの間に、障壁層が形成されていることが好ましい。
【００１９】
これにより、第一強磁性体及び第二強磁性体の少なくとも一方から半導体チャンネルへスピン偏極した電子を多く注入・抽出することが可能となり、スピン伝導素子の出力を高めることが可能となる。
【００２０】
また、障壁層の材料は、Ｍｇ及びＡｌのうちの少なくとも一方を含む酸化物材料であることが好ましい。これらの材料により、第一強磁性体及び前記第二強磁性体の少なくとも一方から半導体チャンネルへ注入されるスピンの注入・抽出効率を好適に向上できる。
【００２１】
また、前記第二強磁性体の磁化方向は、反強磁性体及び形状異方性のうち少なくとも１つによって、固定されていることが好ましい。
【００２２】
反強磁性体が、第二強磁性体と交換結合することにより、第二強磁性体の磁化方向に、一方向異方性を付与することが可能となる。この場合、反強磁性体を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する第二強磁性体を得られる。また、形状異方性によって磁化を固定する場合、保磁力差をつけるための反強磁性体を省略することが可能となる。
【００２３】
また、第一強磁性体の保磁力は、第二強磁性体の保磁力と異なることが好ましい。この構成により、第一強磁性体及び第二強磁性体の一方を磁化固定層として機能させ、他方を磁化自由層として機能させることができ、スピン伝導素子を磁気センサーなどとして好適に用いることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、スピン輸送距離を劣化させずに半導体チャンネルに侵入する外部磁場に起因するノイズやエラーを抑制することが可能なスピン伝導素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、第一実施形態に係るスピン伝導素子の上面図である。
【図２】図２は、図１におけるII−II線に沿った断面図である。
【図３】図３は、図２におけるIII−III線に沿った断面図である。
【図４】図４は、図２におけるIV−IV線に沿った断面図である。
【図５】図５は、図３の変形例を示す断面図である。
【図６】図６は、実施例１および比較例１〜３の第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの間の距離ｄとスピン出力の関係を示したグラフである。
【図７】図７は、実施例１および比較例１〜３おいて、外部磁場に対する電圧の変化を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら、本発明に係るスピン伝導素子の好適な実施形態について詳細に説明する。図１は、第一実施形態に係るスピン伝導素子の上面図である。図２は、図１におけるII−II線に沿った断面図である。図３は、図２におけるIII−III線に沿った断面図である。図４は、図２におけるIV−IV線に沿った断面図である。
【００２７】
図２に示すように、スピン伝導素子１は、半導体チャンネル層７、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、絶縁膜７０、及び磁気シールドＳ１を主として備える。半導体チャンネル層７は、スピンを拡散、蓄積する部分であり、第一強磁性層１２Ａから第二強磁性層１２Ｂまで延びている。図１に示すように、半導体チャンネル層７は、半導体チャンネル層７の厚み方向から見て矩形状をなしている。半導体チャンネル層７には導電性を付与するためのイオン、例えばＰイオンあるいはＳｂイオン、が添加されている。イオン濃度は、例えば１．０×１０１５〜１．０×１０２２ｃｍ−３である。半導体チャンネル層７の材料は例えばＳｉである。また、半導体チャンネル層７における第一強磁性層１２Ａから第二強磁性層１２Ｂまでの距離は、半導体チャンネル層７のスピン拡散長以下となっている。
【００２８】
第一強磁性層１２Ａは、半導体チャンネル層７へスピンを注入するための注入電極として機能する部分である。第二強磁性層１２Ｂは、半導体チャンネル層７を伝導してきたスピンを検出するための受け取り電極として機能する部分である。
【００２９】
第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂは、Ｘ軸方向を長軸としＹ軸方向を短軸とした直方体形状をそれぞれ有している。第一強磁性層１２Ａの保磁力と第二強磁性層１２Ｂの保磁力は互いに異なる。本実施形態では、第一強磁性層１２ＡのＸ軸方向における幅は、第二強磁性層１２ＢのＸ軸方向における幅と同一となっている一方、第一強磁性層１２ＡのＹ軸方向における幅は、第二強磁性層１２ＢのＹ軸方向における幅よりも小さくなっている。このような形状異方性により、第一強磁性層１２Ａの保磁力は、第二強磁性層１２Ｂの保磁力よりも大きくなっている。図１及び図２に示すように、第一強磁性層１２Ａの磁化方向Ｇ１は、第二強磁性層１２Ｂの磁化方向Ｇ２と平行、すなわち同一となっている。
【００３０】
第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂは、強磁性材料からなり、例えば、下記（１）〜（３）のいずれかである。
（１）Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群から選択される金属
（２）Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群の元素を１以上含む合金
（３）Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群から選択される１以上の元素と、Ｂ、Ｃ、及びＮ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
【００３１】
磁気シールドＳ１は、外部磁場が半導体チャンネル層７へ侵入することを遮蔽する膜である。このため、磁気シールドＳ１は、半導体チャンネル層７、第二強磁性層１２Ｂ、及び第二配線２０Bの上面、側面、及び下面のうち少なくとも一つの面を覆っている。磁気シールドＳ１は、半導体チャンネル層７、第二強磁性層１２Ｂ、及び第二配線２０Bに直接触れないように、絶縁膜７０あるいは空気層などを間に介して形成されている。
【００３２】
また、磁気シールドＳ１は半導体チャンネル層７における、第二強磁性層１２Ｂの磁化の向きＧ２と平行な面（図２に示すＹＺ面）を覆うことが好ましく、この構成により、半導体チャンネル層７内を伝導するスピンが外部磁場によって回転することを効率よく抑えることができる。
【００３３】
磁気シールドＳ１の材料は、例えばＮｉ、Ｆｅ、及びＣｏからなる群から選択される１以上の元素を含む軟磁性材料であり、具体的には、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材料である。また、磁気シールドＳ１の膜厚は、例えば１０ｎｍ〜１００ｎｍである。
【００３４】
スピン伝導素子１は、更に、障壁層８１Ａ、８１Ｂを備えている。障壁層８１Ａ、８１Ｂは、半導体チャンネル層７と、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの少なくとも一方との間に設けられている。これにより、第一強磁性層１２Ａから半導体チャンネル層７へスピン偏極した電子を効率的に注入することが可能となり、スピン伝導素子の電位出力を高めることが可能となる。また、第二強磁性層１２Bに半導体チャンネル層７からスピン偏極した電子を多く抽出することが可能となり、スピン伝導素子の電位出力を高めることが可能となる。障壁層８１Ａ、８１Ｂは、例えば絶縁性材料の膜からなるトンネル障壁である。図２では、障壁層８１Ａ、８１Ｂが単層からなる例を示すが、障壁層８１Ａ、８１Ｂは複数の層からなる積層構造を有していてもよい。このような構成により、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの磁性材料が、半導体チャンネル層７へ拡散することを抑制できる。また、障壁層８１Ａ、８１Ｂと半導体チャンネル層７との界面におけるスピンの散乱や蓄積を調整することができる。
【００３５】
障壁層８１Ａ、８１Ｂの材料は、Ｍｇ及びＡｌのうちの少なくとも一方を含む酸化物材料である。これらの材料により、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの少なくとも一方から半導体チャンネルへ注入されるスピンの注入効率を好適に向上できる。障壁層８１Ａ、８１Ｂの具体的な材料は、例えばＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＡｌ２Ｏ４などである。抵抗の増大を抑制し、トンネル絶縁層として機能させる観点から、障壁層８１Ａ、８１Ｂの膜厚は、３ｎｍ以下であることが好ましい。また、障壁層８１Ａ、８１Ｂの膜厚は、１原子層厚を考慮して、０．４ｎｍ以上であることが好ましい。
【００３６】
スピン伝導素子１は、絶縁膜（あるいは絶縁体）７０を更に備えている。絶縁膜７０は、半導体チャンネル層７の露出を防ぎ、半導体チャンネル層７を電気的及び磁気的に絶縁する機能を有する。絶縁膜７０は、磁気シールドＳ１と半導体チャンネル層７との間に設けられているので、半導体チャンネル層７を流れるスピン流が磁気シールドＳ１へ流出することが抑制される。絶縁膜７０は、下部絶縁膜７ａ、側壁部絶縁膜７ｂ及び最上部絶縁膜７ｃを含む。図３及び図４に示すように、下部絶縁膜７ａは半導体チャンネル層７の下面に設けられており、側壁部絶縁膜７ｂは半導体チャンネル層７の側面に設けられている。さらに、最上部絶縁膜７ｃは、側壁部絶縁膜７ｂあるいは、第二配線２０Bの上面、あるいは側面に設けられている。また、図３に示すように、図２のIII−III線に沿った断面において絶縁膜７０の外側面は磁気シールドＳ１に接しており、絶縁膜７０の内側面は半導体チャンネル層７に接している。このように絶縁膜７０は、半導体チャンネル層７の表面（例えば下面、側面、または上面）の必要な領域を覆っている。さらに、この側壁部絶縁膜７ｂ上に、第一配線２０Ａ、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、及び第二配線２０Ｂに接続する配線を設けることにより、この配線によって半導体チャンネル層７のスピンが吸収されることを抑制できる。また、側壁部絶縁膜７ｂ上に配線を設けることにより、配線から半導体チャンネル層７へ電流が流れることを抑制できる。さらに、図４に示すように、図２のIV−IV線に沿った断面において絶縁膜７０の外側面は磁気シールドＳ１に接しており、絶縁膜７０の内側面は半導体チャンネル層７に接している。このように絶縁膜７０は、半導体チャンネル層７の表面（例えば下面、側面、または上面）の必要な領域を覆っている。さらに、この側壁部絶縁膜７ｂ上に、第一配線２０Ａ、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、及び第二配線２０Ｂに接続する配線を設けることにより、この配線によって半導体チャンネル層７のスピンが吸収されることを抑制できる。また、側壁部絶縁膜７ｂ上に配線を設けることにより、配線から半導体チャンネル層７へ電流が流れることを抑制できる。
【００３７】
以下、磁気抵抗を利用したスピン伝導素子１の動作について、図２を用いて説明する。まず、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの磁化方向を固定する。図２に示す例では、第一強磁性層１２Ａの磁化方向Ｇ１が、第二強磁性層１２Ｂの磁化方向Ｇ２と同一方向（Ｘ軸方向）である。第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂを電流源９０に接続することにより、第一強磁性層１２Ａに検出用電流を流す。強磁性体である第一強磁性層１２Ａから、障壁層８１Ａを介して、非磁性体の半導体チャンネル層７へ電流が流れることにより、第一強磁性層１２Ａの磁化の向きＧ１に対応する向きのスピンを有する電子が半導体チャンネル層７へ注入される。注入されたスピンは第二強磁性層１２Ｂ側へ伝播していく。このように、半導体チャンネル層７に流れる電流及びスピン流が、主にＹ軸方向に流れる構造とすることができる。このような構成において、第一強磁性層１２Ａの磁化方向と逆方向（例えば図２に示す−Ｘ軸方向）に磁場を印加する。この際、磁場の強さを＋から−に変化させると、保磁力の小さい第一強磁性層１２Ａにおける磁化が反転する。この磁化反転に伴う出力は、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂに接続された出力測定器８０により測定することができる。以上のようにして、磁気抵抗効果を利用したスピン伝導素子１を不揮発な情報を持ったロジック素子として利用することができる。
【００３８】
以下、本実施形態に係る磁気抵抗を利用したスピン伝導素子１の効果を説明する。前記第一強磁性層１２Ａは、半導体チャンネル層７へスピンを注入するための注入電極として機能し、第一強磁性層１２Ｂは、半導体チャンネル層７からスピンを受け取るための受け取り電極として機能する。半導体チャンネル層７は、第一強磁性層１２Ａから注入されるスピンが伝導する部分として機能する。ここで、半導体チャンネル層７内を伝導するスピンは、第一強磁性層１２Ａの磁化情報を保持する。本実施形態に係るスピン伝導素子１では、第二強磁性層１２Ｂ、障壁層８１Ｂ、第二配線２０Ｂ及び半導体チャンネル７の一部が絶縁膜７０を介して磁気シールドＳ１に覆われている。このため、外部磁場が第二強磁性層１２Ｂ、障壁層８１Ｂ、第二配線２０Ｂ及び半導体チャンネル７に侵入する場合に、第二強磁性層１２Ｂ下の半導体チャンネル層７内を伝導、あるいは蓄積するスピンが外部磁場の影響によって回転することを抑制できる。よって、半導体チャンネル層７内を伝導するスピンの保持する磁化情報が正確に伝達され、半導体チャンネルに外部磁場が侵入することに起因するノイズやエラーを抑制できる。この時、従来の第一強磁性層１２Ａ、障壁層８１Ａ、第一配線２０Ａ及び半導体チャンネル７も含めて絶縁膜７０を介して磁気シールドＳ１に覆われている場合に生じるスピン輸送特性の減少を生じることない素子形成が可能である。このようなスピン伝導素子１は、例えば磁気センサー、磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ）、スピン流回路、核スピンメモリ、量子コンピュータなどに利用することができる。
【００３９】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。以下に変形例を示すが、これらの変形例のいずれにおいても上記と同様に、半導体チャンネルに外部磁場が侵入することに起因するノイズやエラーを抑制できる。図５に示す断面構造が図３に示す断面構造と異なるのは、絶縁膜７０及び磁気シールドＳ１の一部が半導体チャンネル層７内に埋め込まれている点である。すなわち、スピンが伝導する領域を囲うように形成された溝部に、絶縁膜７０（７ａ、７ｂ）、磁気シールドＳ１が内側から外側に向かって順に埋め込まれた構造としてもよい。
【００４０】
また、第一配線２０Ａ及び第二配線２０Ｂは必ずしも必要ではなく、省略してもよい。
【００４１】
また、半導体チャンネル層７に用いられるスピン寿命の長い材料として、例えばＳｉやＧａＡｓなどが挙げられるが、特にＳｉが好ましい。ただし、半導体チャンネル層７の材料はＳｉに限られず、スピン寿命の長い材料であることが好ましく、例えば、半導体チャンネルの材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃ、及びＺｎＯからなる群から選択される１以上の半導体を含む材料とすることができる。
【００４２】
また、半導体チャンネル層７の厚み方向から見た形状は矩形状に限られず、例えば屈曲形状でもよい。また、半導体チャンネル層７の上面上において、第一配線２０Ａ及び第二配線２０Ｂと、障壁層８１Ａ、８１Ｂを介して第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂとが突出するように形成された例を示したが、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、第一配線２０Ａ及び第二配線２０Ｂのうち少なくとも１つは、半導体チャンネル層７内に埋設されていてもよい。
【００４３】
また、障壁層８１Ａ、８１Ｂが、絶縁膜からなるトンネル障壁である例を示した。しかし、障壁層８１Ａ、８１Ｂは、金属膜からなるトンネル障壁であってもよく、この場合、半導体の半導体チャンネル層７と金属の障壁層８１Ａ、８１Ｂとのショットキー障壁とすることができる。第一強磁性体１２Ａと半導体チャンネル層７の間の前記第一障壁層８１Ａと第二強磁性体１２Ｂと半導体チャンネル層７の間の第二障壁層８１Ｂはショットキー障壁、トンネル障壁、あるいは、障壁層が省略されているいずれかの場合の組み合わせでもよい。
【００４４】
また、上記では第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂが形状異方性により互いに異なる保磁力を有する例を示したが、これに限定されない。例えば、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの形状を同一として同じ保磁力を有する構成において、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの少なくとも一方の磁化方向が、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの少なくとも一方上に設けられた反強磁性層（体）によって、固定されていてもよい。この場合、反強磁性層（体）を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する第一強磁性層１２Ａあるいは第二強磁性層１２Ｂが得られる。あるいは、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂに形状異方性を持たせて保磁力を互いに異ならせた構成において、更に反強磁性層（体）を用いてもよい。
【００４５】
また、上記では、半導体チャンネル層７、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、及び磁気シールドＳ１が、いわゆる「層」である例を用いて説明したが、本発明はこれに限定されない。半導体チャンネル層７、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、及び磁気シールドＳ１の各々は、前記スピン伝導素子の構成物として使用できるものであれば、種々の形態の半導体チャンネル、第一強磁性体、第二強磁性体、及び磁気シールドとすることができる。この場合、半導体チャンネル、第一強磁性体、第二強磁性体、及び磁気シールドの各々は、例えば、球体状、円柱形状などの形態とすることができる。
【００４６】
以下、実施例及び比較例を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４７】
（実施例１）
まず、Ｓｉ基板を準備した。次いで、洗浄により、Ｓｉ基板の表面上の不純物、酸化物、有機物などを除去した。洗浄液として、希釈したＨＦ溶液を用いた。その後、Ｓｉ基板の表面に導電性を付与するためのイオンの打ち込みを行った。なお、電子濃度が１×１０１８ｃｍ−３となるようにした。
【００４８】
続いて、ＭＢＥ法によって、Ｓｉ基板の表面上にＭｇＯからなる障壁層８１Ａ、８１Ｂとなる障壁膜を成膜した。その後、半導体チャンネル層７となる部分に略矩形状のマスクを形成し、Ｓｉ基板に化学的なエッチングを行い、島状の半導体チャンネル層７を得た。エッチング後、不要なマスクを除去した。
【００４９】
ついで、電子線（ＥＢ）リソグラフィによって、半導体チャンネル層７上に、強磁性層となる強磁性膜を障壁膜を間に介して形成した。この強磁性膜及び障壁膜の不要な部分をイオンミリングすることにより、半導体チャンネル層７の第一領域上に障壁層８１Ａを介して第一強磁性層１２Ａを形成するとともに、半導体チャンネル層７の第二領域上に障壁層８１Ｂを介して第二強磁性層１２Ｂを形成した。ここでは、第二強磁性層１２Ｂの保磁力が第一強磁性層１２Ａの保磁力よりも大きくなるようにした。また、第一強磁性体１２Ａと第二強磁性体１２Ｂの距離は、スピン輸送距離よりも短くなるように設計した。
【００５０】
次いで、不要な障壁膜や強磁性膜が除去された半導体チャンネル層７の表面及び第一強磁性層１２Ａ、障壁層８１Ａ、第二強磁性層１２Ｂ及び障壁層８１Ｂの側壁に絶縁膜となるシリコン酸化膜を形成した。さらに、電子線（ＥＢ）リソグラフィによって第一強磁性層１２Ａ上に第一配線２０Ａを形成し、第二強磁性層１２Ｂ上に第二配線２０Ｂを形成した。その後、再度絶縁膜となるシリコン酸化膜を形成した。
【００５１】
電子線（ＥＢ）リソグラフィ及びスパッタリング法によって第二強磁性層１２Ｂ、第二配線２０Ｂ、障壁層８１Ｂ及び半導体チャンネル層７の一部を覆うようにＮｉＦｅからなる磁気シールドＳ１を形成した。以上の方法により、図１〜図４に示すようなスピン伝導素子1を作製した。
【００５２】
（比較例１）
比較例１では、実施例１のスピン伝導素子１において、第一強磁性層１２Ａ、配線２０Ａ、障壁層８１Ａ及び半導体チャンネル層７の一部を覆うように磁気シールドＳ１を設けたこと以外は同じ構成としてスピン伝導素子を作製した。
【００５３】
（比較例２）
比較例２では、実施例１のスピン伝導素子１において、磁気シールドＳ１を設けないこと以外は同じ構成としてスピン伝導素子を作製した。
【００５４】
（比較例３）
比較例３では、実施例１のスピン伝導素子１において、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、第一配線２０Ａ、第二配線２０Ｂ、障壁層８１Ａ、障壁層８１Ｂ及び半導体チャンネル層７を覆うように磁気シールドＳ１を設けた以外は同じ構成としてスピン伝導素子を作製した
【００５５】
（比較例４）
比較例４では、実施例１のスピン伝導素子１と同様な構成で磁気シールドＳ１を設け、第一強磁性層１２Ａと第二強磁性層１２Ｂの距離はスピン輸送距離よりも離れた構成としてスピン伝導素子を作製した。
【００５６】
［特性評価］
実施例１および比較例１〜４で作製したスピン伝導素子において、スピン輸送特性の評価とノイズの評価を行った。
【００５７】
［スピン輸送特性の評価］
スピン輸送特性の評価は、局所測定法及びスピン輸送距離の依存性から見積もった。図２に示すように、第一配線２０Ａと第二配線２０Ｂに電流源９０を設置する。また、前記電流源９０とは別に第一配線２０Ａと第二配線２０Ｂに電圧測定器８０を設置する。第一強磁性層１２Ａから第二強磁性層１２Ｂに半導体チャンネル層７を介して電子が流れるようにし、外部磁場を印加することによって第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの磁化方向を調整する。
第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの磁化の組み合わせ状態によって生じる磁気抵抗の電圧差DＶと第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの間の距離ｄは、スピン輸送距離λlocalを用いて、
DＶ∝ｅｘｐ（−ｄ／λlocal）
で表される。実施例１および比較例1〜３の素子において前記関数で解析した結果を図６に示し、また実施例１および比較例1〜４について、それぞれ求めたスピン輸送距離を表１に示す。
【００５８】
［ノイズの評価］
素子の外部磁場に対するノイズの評価は、Ｈａｎｌｅ測定を用いた。図２において第一強磁性層１２Ａと第二強磁性層１２Ｂに電流源９０を接続して電流を流し磁場と抵抗の関係を評価した。この際、磁化の向きを十分強い外部磁場を用いて反平行状態とし、第一強磁性層１２Ａと第二強磁性層１２Ｂの磁化の向きと垂直な方向から磁場を印加し、外部磁場の強さを＋１０．０（Ｏｅ）から−１０．０（Ｏｅ）に変化させて、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂとの間に得られる電圧変化を観測した。実施例１および比較例１〜３について、その結果を図７に示す。
【００５９】
実施例１および比較例１〜４について、スピン輸送距離とノイズの評価結果を表１にまとめて示す。
【００６０】
【表１】
【００６１】
この結果から、実施例1と比較例３は磁気シールドＳ1を設けることで、外部磁場の影響による電圧変化が見られずノイズを抑制する効果が得られるが、比較例３ではスピン輸送距離が劣化している。また磁気シールドＳ１をスピン注入側に設けた比較例１では、外部磁場に依存して電圧の変化が観測されており、ノイズを抑制する効果が得られない。スピンを検出する側に磁気シールドＳ１を設けた実施例１のような構成とした場合、スピン輸送特性の劣化が無く、かつ、ノイズを抑制する効果が得られる。
【００６２】
第一強磁性層１２Ａと第二強磁性層１２Ｂの距離がスピン輸送距離よりも狭い実施例１に比べて、比較例４では外部磁場の影響があることが観測されており、実施例１は第一強磁性層１２Ａと第二強磁性層１２Ｂの距離がスピン輸送距離よりも狭い場合に限定されることがわかる。
【符号の説明】
【００６３】
１…スピン伝導素子、７…半導体チャンネル層、１２Ａ…第一強磁性層、１２Ｂ…第二強磁性層、２０Ａ…第一配線、２０Ｂ…第二配線、７０（７ａ、７ｂ、７ｃ）…絶縁膜、８１Ａ、８１Ｂ…障壁層、Ｓ１…磁気シールド
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果を利用したスピン伝導素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
スピン伝導素子は、例えばＨＤＤヘッド、磁気センサー、ＭＲＡＭなどの各種製品に応用されている。スピン伝導素子には、電流に付随したスピン流を用いるものと、スピン流のみを用いるものが知られている。スピン流を利用した素子として、非磁性導電体上に、この非磁性導電体のスピン拡散長よりも短い間隔を置いて２つの強磁性体を配置されたものが知られている（例えば下記特許文献１を参照）。また、非磁性導電体内を比較的長い距離にわたって伝導するスピンを用いるデバイスとして、例えばスピンＭＯＳ−ＦＥＴが知られている（例えば、下記特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３８１８２７６号公報
【特許文献２】特許第４１４３６４４号公報
【特許文献３】特願２０１０−０８６３０１号
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ ９８，２６２５０３（２０１１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したような非磁性導電体内を比較的長い距離にわたって伝導するスピンを用いるデバイスにおいて、外部磁場に起因してスピンが回転するという現象が知られている（いわゆるＨａｎｌｅ効果）。特に、スピン寿命が比較的長い半導体チャンネルを伝導したスピンでは、非常に弱い外部磁場の影響であってもスピンが回転する。従って、強磁性体電極の磁化情報を保持するスピンが半導体チャンネルを伝導する際に回転してしまい、正確にこの磁化情報が伝達できない、あるいはノイズの原因になるといった問題があった（非特許文献１を参照）。これを解決する方法として、個々の素子に磁気シールドを設置するという方法を我々は提案している（特許文献３を参照）。しかしながら、従来の素子全体に磁気シールドを設置した場合、スピン伝導の指標であるスピン輸送距離が磁気シールドを設置しない場合に比べて短くなるため、特性が劣化するという問題があることがわかった。
【０００６】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、スピン輸送距離を劣化させずに半導体チャンネルに侵入する外部磁場に起因するノイズやエラーを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本発明の磁気抵抗を利用したスピン伝導素子は、電子とスピンを半導体チャンネルに注入する第一強磁性体と、電子とスピンを半導体チャンネルから抽出する第二強磁性体と、第一強磁性体から第二強磁性体まで延びる半導体チャンネルと、第二強磁性体と半導体チャンネルの界面付近を外部磁場から保護する磁気シールドを備えることを特徴とする。
【０００８】
この構成により、チャネル内を伝導するスピンが外部磁場の影響によって回転することを抑制できる。よって磁気抵抗効果を利用したスピン伝導素子において外部磁場に起因するノイズやエラーを抑制することができ、外部磁場の影響から情報を保護できる。また、スピン輸送距離の劣化も抑制することができる。
【０００９】
ここで、磁気シールドは、第二強磁性体の磁化の向きと平行な半導体チャンネルにおける面を覆うことが好ましい。
【００１０】
この構成により、半導体チャンネル内を伝導するスピンが外部磁場によって回転することを効率よく抑えることができる。
【００１１】
また、磁気シールドの材料は、Ｎｉ、Ｆｅ、及びＣｏからなる群から選択される１以上の元素を含む軟磁性材料であることが好ましい。
【００１２】
これらの軟磁性材料を用いることにより、半導体チャンネルに侵入する外部磁場を充分に遮蔽することができる。
【００１３】
また、第一強磁性体と第二強磁性体の距離は、スピン輸送距離よりも短いことが好ましい。
【００１４】
また、第一強磁性体及び第二強磁性体の材料は下記（１）〜（３）のいずれかであることが好ましい。
（１）Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群から選択される金属
（２）Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群の元素を１以上含む合金
（３）Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群から選択される１以上の元素と、Ｂ、Ｃ、及びＮ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
【００１５】
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。
【００１６】
また、半導体チャンネルの材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃ、及びＺｎＯからなる群から選択される１以上の半導体を含む材料であることが好ましい。
【００１７】
これらの材料はスピン拡散長が比較的長いため、半導体チャンネル内にスピンを好適に伝達、蓄積できる。
【００１８】
また、第一強磁性体及び第二強磁性体の少なくとも一方と半導体チャンネルとの間に、障壁層が形成されていることが好ましい。
【００１９】
これにより、第一強磁性体及び第二強磁性体の少なくとも一方から半導体チャンネルへスピン偏極した電子を多く注入・抽出することが可能となり、スピン伝導素子の出力を高めることが可能となる。
【００２０】
また、障壁層の材料は、Ｍｇ及びＡｌのうちの少なくとも一方を含む酸化物材料であることが好ましい。これらの材料により、第一強磁性体及び前記第二強磁性体の少なくとも一方から半導体チャンネルへ注入されるスピンの注入・抽出効率を好適に向上できる。
【００２１】
また、前記第二強磁性体の磁化方向は、反強磁性体及び形状異方性のうち少なくとも１つによって、固定されていることが好ましい。
【００２２】
反強磁性体が、第二強磁性体と交換結合することにより、第二強磁性体の磁化方向に、一方向異方性を付与することが可能となる。この場合、反強磁性体を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する第二強磁性体を得られる。また、形状異方性によって磁化を固定する場合、保磁力差をつけるための反強磁性体を省略することが可能となる。
【００２３】
また、第一強磁性体の保磁力は、第二強磁性体の保磁力と異なることが好ましい。この構成により、第一強磁性体及び第二強磁性体の一方を磁化固定層として機能させ、他方を磁化自由層として機能させることができ、スピン伝導素子を磁気センサーなどとして好適に用いることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、スピン輸送距離を劣化させずに半導体チャンネルに侵入する外部磁場に起因するノイズやエラーを抑制することが可能なスピン伝導素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、第一実施形態に係るスピン伝導素子の上面図である。
【図２】図２は、図１におけるII−II線に沿った断面図である。
【図３】図３は、図２におけるIII−III線に沿った断面図である。
【図４】図４は、図２におけるIV−IV線に沿った断面図である。
【図５】図５は、図３の変形例を示す断面図である。
【図６】図６は、実施例１および比較例１〜３の第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの間の距離ｄとスピン出力の関係を示したグラフである。
【図７】図７は、実施例１および比較例１〜３おいて、外部磁場に対する電圧の変化を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら、本発明に係るスピン伝導素子の好適な実施形態について詳細に説明する。図１は、第一実施形態に係るスピン伝導素子の上面図である。図２は、図１におけるII−II線に沿った断面図である。図３は、図２におけるIII−III線に沿った断面図である。図４は、図２におけるIV−IV線に沿った断面図である。
【００２７】
図２に示すように、スピン伝導素子１は、半導体チャンネル層７、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、絶縁膜７０、及び磁気シールドＳ１を主として備える。半導体チャンネル層７は、スピンを拡散、蓄積する部分であり、第一強磁性層１２Ａから第二強磁性層１２Ｂまで延びている。図１に示すように、半導体チャンネル層７は、半導体チャンネル層７の厚み方向から見て矩形状をなしている。半導体チャンネル層７には導電性を付与するためのイオン、例えばＰイオンあるいはＳｂイオン、が添加されている。イオン濃度は、例えば１．０×１０１５〜１．０×１０２２ｃｍ−３である。半導体チャンネル層７の材料は例えばＳｉである。また、半導体チャンネル層７における第一強磁性層１２Ａから第二強磁性層１２Ｂまでの距離は、半導体チャンネル層７のスピン拡散長以下となっている。
【００２８】
第一強磁性層１２Ａは、半導体チャンネル層７へスピンを注入するための注入電極として機能する部分である。第二強磁性層１２Ｂは、半導体チャンネル層７を伝導してきたスピンを検出するための受け取り電極として機能する部分である。
【００２９】
第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂは、Ｘ軸方向を長軸としＹ軸方向を短軸とした直方体形状をそれぞれ有している。第一強磁性層１２Ａの保磁力と第二強磁性層１２Ｂの保磁力は互いに異なる。本実施形態では、第一強磁性層１２ＡのＸ軸方向における幅は、第二強磁性層１２ＢのＸ軸方向における幅と同一となっている一方、第一強磁性層１２ＡのＹ軸方向における幅は、第二強磁性層１２ＢのＹ軸方向における幅よりも小さくなっている。このような形状異方性により、第一強磁性層１２Ａの保磁力は、第二強磁性層１２Ｂの保磁力よりも大きくなっている。図１及び図２に示すように、第一強磁性層１２Ａの磁化方向Ｇ１は、第二強磁性層１２Ｂの磁化方向Ｇ２と平行、すなわち同一となっている。
【００３０】
第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂは、強磁性材料からなり、例えば、下記（１）〜（３）のいずれかである。
（１）Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群から選択される金属
（２）Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群の元素を１以上含む合金
（３）Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群から選択される１以上の元素と、Ｂ、Ｃ、及びＮ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
【００３１】
磁気シールドＳ１は、外部磁場が半導体チャンネル層７へ侵入することを遮蔽する膜である。このため、磁気シールドＳ１は、半導体チャンネル層７、第二強磁性層１２Ｂ、及び第二配線２０Bの上面、側面、及び下面のうち少なくとも一つの面を覆っている。磁気シールドＳ１は、半導体チャンネル層７、第二強磁性層１２Ｂ、及び第二配線２０Bに直接触れないように、絶縁膜７０あるいは空気層などを間に介して形成されている。
【００３２】
また、磁気シールドＳ１は半導体チャンネル層７における、第二強磁性層１２Ｂの磁化の向きＧ２と平行な面（図２に示すＹＺ面）を覆うことが好ましく、この構成により、半導体チャンネル層７内を伝導するスピンが外部磁場によって回転することを効率よく抑えることができる。
【００３３】
磁気シールドＳ１の材料は、例えばＮｉ、Ｆｅ、及びＣｏからなる群から選択される１以上の元素を含む軟磁性材料であり、具体的には、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材料である。また、磁気シールドＳ１の膜厚は、例えば１０ｎｍ〜１００ｎｍである。
【００３４】
スピン伝導素子１は、更に、障壁層８１Ａ、８１Ｂを備えている。障壁層８１Ａ、８１Ｂは、半導体チャンネル層７と、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの少なくとも一方との間に設けられている。これにより、第一強磁性層１２Ａから半導体チャンネル層７へスピン偏極した電子を効率的に注入することが可能となり、スピン伝導素子の電位出力を高めることが可能となる。また、第二強磁性層１２Bに半導体チャンネル層７からスピン偏極した電子を多く抽出することが可能となり、スピン伝導素子の電位出力を高めることが可能となる。障壁層８１Ａ、８１Ｂは、例えば絶縁性材料の膜からなるトンネル障壁である。図２では、障壁層８１Ａ、８１Ｂが単層からなる例を示すが、障壁層８１Ａ、８１Ｂは複数の層からなる積層構造を有していてもよい。このような構成により、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの磁性材料が、半導体チャンネル層７へ拡散することを抑制できる。また、障壁層８１Ａ、８１Ｂと半導体チャンネル層７との界面におけるスピンの散乱や蓄積を調整することができる。
【００３５】
障壁層８１Ａ、８１Ｂの材料は、Ｍｇ及びＡｌのうちの少なくとも一方を含む酸化物材料である。これらの材料により、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの少なくとも一方から半導体チャンネルへ注入されるスピンの注入効率を好適に向上できる。障壁層８１Ａ、８１Ｂの具体的な材料は、例えばＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＡｌ２Ｏ４などである。抵抗の増大を抑制し、トンネル絶縁層として機能させる観点から、障壁層８１Ａ、８１Ｂの膜厚は、３ｎｍ以下であることが好ましい。また、障壁層８１Ａ、８１Ｂの膜厚は、１原子層厚を考慮して、０．４ｎｍ以上であることが好ましい。
【００３６】
スピン伝導素子１は、絶縁膜（あるいは絶縁体）７０を更に備えている。絶縁膜７０は、半導体チャンネル層７の露出を防ぎ、半導体チャンネル層７を電気的及び磁気的に絶縁する機能を有する。絶縁膜７０は、磁気シールドＳ１と半導体チャンネル層７との間に設けられているので、半導体チャンネル層７を流れるスピン流が磁気シールドＳ１へ流出することが抑制される。絶縁膜７０は、下部絶縁膜７ａ、側壁部絶縁膜７ｂ及び最上部絶縁膜７ｃを含む。図３及び図４に示すように、下部絶縁膜７ａは半導体チャンネル層７の下面に設けられており、側壁部絶縁膜７ｂは半導体チャンネル層７の側面に設けられている。さらに、最上部絶縁膜７ｃは、側壁部絶縁膜７ｂあるいは、第二配線２０Bの上面、あるいは側面に設けられている。また、図３に示すように、図２のIII−III線に沿った断面において絶縁膜７０の外側面は磁気シールドＳ１に接しており、絶縁膜７０の内側面は半導体チャンネル層７に接している。このように絶縁膜７０は、半導体チャンネル層７の表面（例えば下面、側面、または上面）の必要な領域を覆っている。さらに、この側壁部絶縁膜７ｂ上に、第一配線２０Ａ、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、及び第二配線２０Ｂに接続する配線を設けることにより、この配線によって半導体チャンネル層７のスピンが吸収されることを抑制できる。また、側壁部絶縁膜７ｂ上に配線を設けることにより、配線から半導体チャンネル層７へ電流が流れることを抑制できる。さらに、図４に示すように、図２のIV−IV線に沿った断面において絶縁膜７０の外側面は磁気シールドＳ１に接しており、絶縁膜７０の内側面は半導体チャンネル層７に接している。このように絶縁膜７０は、半導体チャンネル層７の表面（例えば下面、側面、または上面）の必要な領域を覆っている。さらに、この側壁部絶縁膜７ｂ上に、第一配線２０Ａ、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、及び第二配線２０Ｂに接続する配線を設けることにより、この配線によって半導体チャンネル層７のスピンが吸収されることを抑制できる。また、側壁部絶縁膜７ｂ上に配線を設けることにより、配線から半導体チャンネル層７へ電流が流れることを抑制できる。
【００３７】
以下、磁気抵抗を利用したスピン伝導素子１の動作について、図２を用いて説明する。まず、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの磁化方向を固定する。図２に示す例では、第一強磁性層１２Ａの磁化方向Ｇ１が、第二強磁性層１２Ｂの磁化方向Ｇ２と同一方向（Ｘ軸方向）である。第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂを電流源９０に接続することにより、第一強磁性層１２Ａに検出用電流を流す。強磁性体である第一強磁性層１２Ａから、障壁層８１Ａを介して、非磁性体の半導体チャンネル層７へ電流が流れることにより、第一強磁性層１２Ａの磁化の向きＧ１に対応する向きのスピンを有する電子が半導体チャンネル層７へ注入される。注入されたスピンは第二強磁性層１２Ｂ側へ伝播していく。このように、半導体チャンネル層７に流れる電流及びスピン流が、主にＹ軸方向に流れる構造とすることができる。このような構成において、第一強磁性層１２Ａの磁化方向と逆方向（例えば図２に示す−Ｘ軸方向）に磁場を印加する。この際、磁場の強さを＋から−に変化させると、保磁力の小さい第一強磁性層１２Ａにおける磁化が反転する。この磁化反転に伴う出力は、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂに接続された出力測定器８０により測定することができる。以上のようにして、磁気抵抗効果を利用したスピン伝導素子１を不揮発な情報を持ったロジック素子として利用することができる。
【００３８】
以下、本実施形態に係る磁気抵抗を利用したスピン伝導素子１の効果を説明する。前記第一強磁性層１２Ａは、半導体チャンネル層７へスピンを注入するための注入電極として機能し、第一強磁性層１２Ｂは、半導体チャンネル層７からスピンを受け取るための受け取り電極として機能する。半導体チャンネル層７は、第一強磁性層１２Ａから注入されるスピンが伝導する部分として機能する。ここで、半導体チャンネル層７内を伝導するスピンは、第一強磁性層１２Ａの磁化情報を保持する。本実施形態に係るスピン伝導素子１では、第二強磁性層１２Ｂ、障壁層８１Ｂ、第二配線２０Ｂ及び半導体チャンネル７の一部が絶縁膜７０を介して磁気シールドＳ１に覆われている。このため、外部磁場が第二強磁性層１２Ｂ、障壁層８１Ｂ、第二配線２０Ｂ及び半導体チャンネル７に侵入する場合に、第二強磁性層１２Ｂ下の半導体チャンネル層７内を伝導、あるいは蓄積するスピンが外部磁場の影響によって回転することを抑制できる。よって、半導体チャンネル層７内を伝導するスピンの保持する磁化情報が正確に伝達され、半導体チャンネルに外部磁場が侵入することに起因するノイズやエラーを抑制できる。この時、従来の第一強磁性層１２Ａ、障壁層８１Ａ、第一配線２０Ａ及び半導体チャンネル７も含めて絶縁膜７０を介して磁気シールドＳ１に覆われている場合に生じるスピン輸送特性の減少を生じることない素子形成が可能である。このようなスピン伝導素子１は、例えば磁気センサー、磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ）、スピン流回路、核スピンメモリ、量子コンピュータなどに利用することができる。
【００３９】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。以下に変形例を示すが、これらの変形例のいずれにおいても上記と同様に、半導体チャンネルに外部磁場が侵入することに起因するノイズやエラーを抑制できる。図５に示す断面構造が図３に示す断面構造と異なるのは、絶縁膜７０及び磁気シールドＳ１の一部が半導体チャンネル層７内に埋め込まれている点である。すなわち、スピンが伝導する領域を囲うように形成された溝部に、絶縁膜７０（７ａ、７ｂ）、磁気シールドＳ１が内側から外側に向かって順に埋め込まれた構造としてもよい。
【００４０】
また、第一配線２０Ａ及び第二配線２０Ｂは必ずしも必要ではなく、省略してもよい。
【００４１】
また、半導体チャンネル層７に用いられるスピン寿命の長い材料として、例えばＳｉやＧａＡｓなどが挙げられるが、特にＳｉが好ましい。ただし、半導体チャンネル層７の材料はＳｉに限られず、スピン寿命の長い材料であることが好ましく、例えば、半導体チャンネルの材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃ、及びＺｎＯからなる群から選択される１以上の半導体を含む材料とすることができる。
【００４２】
また、半導体チャンネル層７の厚み方向から見た形状は矩形状に限られず、例えば屈曲形状でもよい。また、半導体チャンネル層７の上面上において、第一配線２０Ａ及び第二配線２０Ｂと、障壁層８１Ａ、８１Ｂを介して第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂとが突出するように形成された例を示したが、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、第一配線２０Ａ及び第二配線２０Ｂのうち少なくとも１つは、半導体チャンネル層７内に埋設されていてもよい。
【００４３】
また、障壁層８１Ａ、８１Ｂが、絶縁膜からなるトンネル障壁である例を示した。しかし、障壁層８１Ａ、８１Ｂは、金属膜からなるトンネル障壁であってもよく、この場合、半導体の半導体チャンネル層７と金属の障壁層８１Ａ、８１Ｂとのショットキー障壁とすることができる。第一強磁性体１２Ａと半導体チャンネル層７の間の前記第一障壁層８１Ａと第二強磁性体１２Ｂと半導体チャンネル層７の間の第二障壁層８１Ｂはショットキー障壁、トンネル障壁、あるいは、障壁層が省略されているいずれかの場合の組み合わせでもよい。
【００４４】
また、上記では第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂが形状異方性により互いに異なる保磁力を有する例を示したが、これに限定されない。例えば、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの形状を同一として同じ保磁力を有する構成において、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの少なくとも一方の磁化方向が、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの少なくとも一方上に設けられた反強磁性層（体）によって、固定されていてもよい。この場合、反強磁性層（体）を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する第一強磁性層１２Ａあるいは第二強磁性層１２Ｂが得られる。あるいは、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂに形状異方性を持たせて保磁力を互いに異ならせた構成において、更に反強磁性層（体）を用いてもよい。
【００４５】
また、上記では、半導体チャンネル層７、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、及び磁気シールドＳ１が、いわゆる「層」である例を用いて説明したが、本発明はこれに限定されない。半導体チャンネル層７、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、及び磁気シールドＳ１の各々は、前記スピン伝導素子の構成物として使用できるものであれば、種々の形態の半導体チャンネル、第一強磁性体、第二強磁性体、及び磁気シールドとすることができる。この場合、半導体チャンネル、第一強磁性体、第二強磁性体、及び磁気シールドの各々は、例えば、球体状、円柱形状などの形態とすることができる。
【００４６】
以下、実施例及び比較例を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４７】
（実施例１）
まず、Ｓｉ基板を準備した。次いで、洗浄により、Ｓｉ基板の表面上の不純物、酸化物、有機物などを除去した。洗浄液として、希釈したＨＦ溶液を用いた。その後、Ｓｉ基板の表面に導電性を付与するためのイオンの打ち込みを行った。なお、電子濃度が１×１０１８ｃｍ−３となるようにした。
【００４８】
続いて、ＭＢＥ法によって、Ｓｉ基板の表面上にＭｇＯからなる障壁層８１Ａ、８１Ｂとなる障壁膜を成膜した。その後、半導体チャンネル層７となる部分に略矩形状のマスクを形成し、Ｓｉ基板に化学的なエッチングを行い、島状の半導体チャンネル層７を得た。エッチング後、不要なマスクを除去した。
【００４９】
ついで、電子線（ＥＢ）リソグラフィによって、半導体チャンネル層７上に、強磁性層となる強磁性膜を障壁膜を間に介して形成した。この強磁性膜及び障壁膜の不要な部分をイオンミリングすることにより、半導体チャンネル層７の第一領域上に障壁層８１Ａを介して第一強磁性層１２Ａを形成するとともに、半導体チャンネル層７の第二領域上に障壁層８１Ｂを介して第二強磁性層１２Ｂを形成した。ここでは、第二強磁性層１２Ｂの保磁力が第一強磁性層１２Ａの保磁力よりも大きくなるようにした。また、第一強磁性体１２Ａと第二強磁性体１２Ｂの距離は、スピン輸送距離よりも短くなるように設計した。
【００５０】
次いで、不要な障壁膜や強磁性膜が除去された半導体チャンネル層７の表面及び第一強磁性層１２Ａ、障壁層８１Ａ、第二強磁性層１２Ｂ及び障壁層８１Ｂの側壁に絶縁膜となるシリコン酸化膜を形成した。さらに、電子線（ＥＢ）リソグラフィによって第一強磁性層１２Ａ上に第一配線２０Ａを形成し、第二強磁性層１２Ｂ上に第二配線２０Ｂを形成した。その後、再度絶縁膜となるシリコン酸化膜を形成した。
【００５１】
電子線（ＥＢ）リソグラフィ及びスパッタリング法によって第二強磁性層１２Ｂ、第二配線２０Ｂ、障壁層８１Ｂ及び半導体チャンネル層７の一部を覆うようにＮｉＦｅからなる磁気シールドＳ１を形成した。以上の方法により、図１〜図４に示すようなスピン伝導素子1を作製した。
【００５２】
（比較例１）
比較例１では、実施例１のスピン伝導素子１において、第一強磁性層１２Ａ、配線２０Ａ、障壁層８１Ａ及び半導体チャンネル層７の一部を覆うように磁気シールドＳ１を設けたこと以外は同じ構成としてスピン伝導素子を作製した。
【００５３】
（比較例２）
比較例２では、実施例１のスピン伝導素子１において、磁気シールドＳ１を設けないこと以外は同じ構成としてスピン伝導素子を作製した。
【００５４】
（比較例３）
比較例３では、実施例１のスピン伝導素子１において、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、第一配線２０Ａ、第二配線２０Ｂ、障壁層８１Ａ、障壁層８１Ｂ及び半導体チャンネル層７を覆うように磁気シールドＳ１を設けた以外は同じ構成としてスピン伝導素子を作製した
【００５５】
（比較例４）
比較例４では、実施例１のスピン伝導素子１と同様な構成で磁気シールドＳ１を設け、第一強磁性層１２Ａと第二強磁性層１２Ｂの距離はスピン輸送距離よりも離れた構成としてスピン伝導素子を作製した。
【００５６】
［特性評価］
実施例１および比較例１〜４で作製したスピン伝導素子において、スピン輸送特性の評価とノイズの評価を行った。
【００５７】
［スピン輸送特性の評価］
スピン輸送特性の評価は、局所測定法及びスピン輸送距離の依存性から見積もった。図２に示すように、第一配線２０Ａと第二配線２０Ｂに電流源９０を設置する。また、前記電流源９０とは別に第一配線２０Ａと第二配線２０Ｂに電圧測定器８０を設置する。第一強磁性層１２Ａから第二強磁性層１２Ｂに半導体チャンネル層７を介して電子が流れるようにし、外部磁場を印加することによって第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの磁化方向を調整する。
第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの磁化の組み合わせ状態によって生じる磁気抵抗の電圧差DＶと第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの間の距離ｄは、スピン輸送距離λlocalを用いて、
DＶ∝ｅｘｐ（−ｄ／λlocal）
で表される。実施例１および比較例1〜３の素子において前記関数で解析した結果を図６に示し、また実施例１および比較例1〜４について、それぞれ求めたスピン輸送距離を表１に示す。
【００５８】
［ノイズの評価］
素子の外部磁場に対するノイズの評価は、Ｈａｎｌｅ測定を用いた。図２において第一強磁性層１２Ａと第二強磁性層１２Ｂに電流源９０を接続して電流を流し磁場と抵抗の関係を評価した。この際、磁化の向きを十分強い外部磁場を用いて反平行状態とし、第一強磁性層１２Ａと第二強磁性層１２Ｂの磁化の向きと垂直な方向から磁場を印加し、外部磁場の強さを＋１０．０（Ｏｅ）から−１０．０（Ｏｅ）に変化させて、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂとの間に得られる電圧変化を観測した。実施例１および比較例１〜３について、その結果を図７に示す。
【００５９】
実施例１および比較例１〜４について、スピン輸送距離とノイズの評価結果を表１にまとめて示す。
【００６０】
【表１】
【００６１】
この結果から、実施例1と比較例３は磁気シールドＳ1を設けることで、外部磁場の影響による電圧変化が見られずノイズを抑制する効果が得られるが、比較例３ではスピン輸送距離が劣化している。また磁気シールドＳ１をスピン注入側に設けた比較例１では、外部磁場に依存して電圧の変化が観測されており、ノイズを抑制する効果が得られない。スピンを検出する側に磁気シールドＳ１を設けた実施例１のような構成とした場合、スピン輸送特性の劣化が無く、かつ、ノイズを抑制する効果が得られる。
【００６２】
第一強磁性層１２Ａと第二強磁性層１２Ｂの距離がスピン輸送距離よりも狭い実施例１に比べて、比較例４では外部磁場の影響があることが観測されており、実施例１は第一強磁性層１２Ａと第二強磁性層１２Ｂの距離がスピン輸送距離よりも狭い場合に限定されることがわかる。
【符号の説明】
【００６３】
１…スピン伝導素子、７…半導体チャンネル層、１２Ａ…第一強磁性層、１２Ｂ…第二強磁性層、２０Ａ…第一配線、２０Ｂ…第二配線、７０（７ａ、７ｂ、７ｃ）…絶縁膜、８１Ａ、８１Ｂ…障壁層、Ｓ１…磁気シールド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピンを半導体チャンネルに注入するための第一強磁性体と、
スピンを前記半導体チャンネルから抽出するための第二強磁性体と、
前記第一強磁性体から前記第二強磁性体まで延びる前記半導体チャンネルと、
前記第二強磁性体と前記半導体チャンネルを覆う磁気シールドと、
前記第二強磁性体、及びあるいは、前記半導体チャンネルと前記磁気シールドとの間に設けられた絶縁膜と、を備える磁気抵抗効果を利用したスピン伝導素子。
【請求項２】
前記磁気シールドは、前記第二強磁性体の磁化の向きと平行な前記半導体チャンネルにおける面を覆う請求項１に記載の磁気抵抗効果を利用したスピン伝導素子。
【請求項３】
前記磁気シールドの材料は、Ｎｉ、Ｆｅ、及びＣｏからなる群から選択される１以上の元素を含む軟磁性材料である請求項１または請求項２に記載の磁気抵抗効果を利用したスピン伝導素子。
【請求項４】
第一強磁性体と第二強磁性体の距離が、スピン輸送距離よりも短い、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果を利用したスピン伝導素子。
【請求項１】
スピンを半導体チャンネルに注入するための第一強磁性体と、
スピンを前記半導体チャンネルから抽出するための第二強磁性体と、
前記第一強磁性体から前記第二強磁性体まで延びる前記半導体チャンネルと、
前記第二強磁性体と前記半導体チャンネルを覆う磁気シールドと、
前記第二強磁性体、及びあるいは、前記半導体チャンネルと前記磁気シールドとの間に設けられた絶縁膜と、を備える磁気抵抗効果を利用したスピン伝導素子。
【請求項２】
前記磁気シールドは、前記第二強磁性体の磁化の向きと平行な前記半導体チャンネルにおける面を覆う請求項１に記載の磁気抵抗効果を利用したスピン伝導素子。
【請求項３】
前記磁気シールドの材料は、Ｎｉ、Ｆｅ、及びＣｏからなる群から選択される１以上の元素を含む軟磁性材料である請求項１または請求項２に記載の磁気抵抗効果を利用したスピン伝導素子。
【請求項４】
第一強磁性体と第二強磁性体の距離が、スピン輸送距離よりも短い、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果を利用したスピン伝導素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−７４０１８（Ｐ２０１３−７４０１８Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１０５８８（Ｐ２０１１−２１０５８８）
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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