スピン注入構造及びそれを用いたスピン伝導デバイス
【課題】従来のスピン注入構造において、ＭｇＯはＳｉ上にエピタキシャル成長しないため、格子不整合によりそこを通過する偏極したスピンが乱されて、偏極スピンが減少するため、良好な特性を維持可能なスピン注入構造を提供する。
【解決手段】Ｓｉからなるチャンネル層７と、チャンネル層７上に形成された強磁性体からなる磁化固定層１２Ｂと、チャンネル層７と磁化固定層１２Ｂとの間に介在する第１トンネル障壁８Ｂとを備えている。さらに、第１トンネル障壁８Ｂは、チャンネル層７側の領域に位置する非晶質ＭｇＯ層と、磁化固定層１２Ｂ側の領域に位置する単結晶ＭｇＯ層とを有している。第２トンネル障壁８Ｃも同様に、チャンネル層７側の領域に位置する非晶質ＭｇＯ層と、磁化固定層１２Ｃ側の領域に位置する単結晶ＭｇＯ層とを有している。
【解決手段】Ｓｉからなるチャンネル層７と、チャンネル層７上に形成された強磁性体からなる磁化固定層１２Ｂと、チャンネル層７と磁化固定層１２Ｂとの間に介在する第１トンネル障壁８Ｂとを備えている。さらに、第１トンネル障壁８Ｂは、チャンネル層７側の領域に位置する非晶質ＭｇＯ層と、磁化固定層１２Ｂ側の領域に位置する単結晶ＭｇＯ層とを有している。第２トンネル障壁８Ｃも同様に、チャンネル層７側の領域に位置する非晶質ＭｇＯ層と、磁化固定層１２Ｃ側の領域に位置する単結晶ＭｇＯ層とを有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｓｉチャンネル層を有するスピン注入構造とそれを用いたスピン伝導デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、半導体におけるスピン伝導現象が、多くの注目を集めている。これは電子回路における半導体の登場と同様に、半導体におけるスピン伝導においても、従来の金属材料を用いたスピン伝導と異なる特性が期待されているからである。現在、半導体を利用したスピンデバイスは、実現されていないが、幾つかのデバイスへの応用が期待されている。例えば磁気センサ、スピントランジスタ及びメモリがあり、高密度磁気ヘッドの読み取り装置やプログラムで再構成可能なロジック回路への適用が考えられている。このような半導体を用いたスピン伝導デバイスの特徴として、半導体内のスピン伝導においては、そのスピン拡散長が金属内のスピン拡散長に比べて格段に長いので、出力の観点、回路的に多様な使い方が出来る優位性がある。
【０００３】
このようなスピン伝導デバイスにおいては、半導体に電子の偏極したスピンを注入するためには、強磁性体を偏極スピンを取りだすフィルタとして用いることが出来る。強磁性体を用いてスピンを注入出来るためデバイスの簡略化が可能になるという利点がある。その一方で、半導体と強磁性金属を直接接触させた場合には、導電率整合（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｍａｔｃｈｉｎｇ）がとりにくく、スピンが半導体と強磁性体との界面で散乱されるという問題を生じる。そこで、ＧａＡｓなどの半導体と強磁性体との間に単結晶のＭｇＯトンネル障壁を介在させたスピン注入構造が提案されている（特許文献１参照）。ＧａＡｓとＭｇＯは格子整合し、偏極したスピンの注入が容易になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許７２７４０８０号明細書
【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、従来のスピン注入構造において、ＭｇＯはＳｉ上にエピタキシャル成長しないため、格子不整合によりそこを通過する偏極したスピンが乱されて、偏極スピンが減少する。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、良好な特性を維持可能なスピン注入構造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】
【０００７】
上述の課題を解決するため、本発明に係るスピン注入構造は、Ｓｉからなるチャンネル層と、チャンネル層上に形成された強磁性体からなる磁化固定層（ピンド層）と、チャンネル層とピンド層との間に介在する第１トンネル障壁とを備え、第１トンネル障壁は、チャンネル層側の領域に位置する第１非晶質ＭｇＯ層と、ピンド層側の領域に位置する第１結晶質ＭｇＯ層とを有することを特徴とする。
【０００８】
この構造の場合、ＳｉとＭｇＯとは結晶の格子定数が異なるが、第１トンネル障壁のチャンネル層側の領域は、非晶質のＭｇＯ層とされているため、格子不整合の影響は低減される。言い換えれば、第１トンネル障壁のチャンネル層側の非晶質のＭｇＯ層は格子不整合の解消層としての役割を果たす。
【０００９】
この構造の場合、第１トンネル障壁のチャンネル層側の領域は、非晶質のＭｇＯ層の場合は良好なスピン注入効率を実現できないが、もう一方の結晶質ＭｇＯ層では、磁性層と結晶軸の向きを揃えることができ、偏極したスピンが多く半導体に注入され、トータルでは磁性層からチャンネル層へのスピンの注入効率をより高くすることできる。よって、従来の非晶質ＭｇＯ層だけのトンネル障壁の場合よりもピンド層側の領域に位置する第１結晶質ＭｇＯ層を有する場合の方がスピンの注入効率を高くすることができ、良好なスピン伝導特性を有する。
【００１０】
また、本発明に係るスピン注入構造は、チャンネル層上に形成された磁化自由層（フリー層）と、チャンネル層とフリー層との間に介在する第２トンネル障壁とを備え、第２トンネル障壁は、チャンネル層側の領域に位置する第２非晶質ＭｇＯ層と、ピンド層側の領域に位置する第２結晶質ＭｇＯ層とを有することが好ましい。
【００１１】
この構造の場合、ピンド層からチャンネル層にスピン注入を行った場合、チャンネル層内をスピン流が拡散して、第２トンネル障壁を介して、フリー層で吸収され、ピンド層とフリー層との間の磁化の向きに応じて、フリー層とチャンネル層との間の電圧が変化する。第２トンネル障壁のチャンネル層側の領域は、非晶質のＭｇＯ層とされているため、チャンネル層と第２トンネル障壁との間の格子不整合の影響は低減される。言い換えれば、第２トンネル障壁のチャンネル層側の非晶質のＭｇＯ層は格子不整合の解消層としての役割を果たす。
【００１２】
また、ピンド層は、第１結晶質ＭｇＯ層上にエピタキシャル成長した、体心立方格子（ｂｃｃ）構造の強磁性体からなることが好ましい。また、フリー層は、第２結晶質ＭｇＯ層上にエピタキシャル成長した、体心立方格子構造の強磁性体を有することが好ましい。結晶質のＭｇＯ上には、ｂｃｃ構造のピンド層又はフリー層（強磁性体）が容易にエピタキシャル成長（結晶軸を共通として成長）し、これらの界面の結晶性が良好な秩序を有するため、スピンの流れに対する阻害要因が減少する。
【００１３】
第１トンネル障壁及び第２トンネル障壁の非晶質ＭｇＯ層の厚みは、それぞれ０．６ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが好ましい。これらの厚みは、それぞれ１．４ｎｍ以下であることが更に好ましい。これは非晶質ＭｇＯ層の厚みが上記下限未満であると、トンネル電流を形成できる膜とならないためであり、格子不整合の解消層としての役割を十分果たせなくなるためである。また、これは非晶質ＭｇＯ層の厚みが上記上限を超える場合には、スピンを偏極して注入する効率が良くなるよりも、素子の抵抗が高くなりすぎてデバイスとして機能させることが困難になる問題の方が効果としてより大きくなるためである。具体的には高抵抗に伴う信号ノイズの増大及び回路上の駆動電圧・電流に制限があるためである。
【００１４】
第１及び第２結晶質ＭｇＯ層の厚みは、それぞれ０．６ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが好ましい。また、第１及び第２結晶質ＭｇＯ層の厚みは、それぞれ０．２ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが更に好ましい。これは、上限値（３ｎｍ）を超える場合には、スピンを偏極して注入する効率が良くなるよりも、素子の抵抗が高くなりすぎてデバイスとして機能させることが困難になる問題の方が効果としてより大きくなるためである。具体的には高抵抗に伴う信号ノイズの増大及び回路上の駆動電圧・電流に制限があるためである。下限値を下回る場合には非晶質ＭｇＯ層上のＭｇＯ層が結晶質にならないためである。
【００１５】
なお、全てのＭｇＯ層の厚みの和が１．０ｎｍ未満である場合には、単結晶のＭｇＯを形成しにくい。換言すれば，ＭｇＯ層からなる第１及び第２トンネル障壁の厚みは、それぞれ０．８ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが好ましく、１．０ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが更に好ましい。これは、ＭｇＯ層の厚みが上記下限値未満である場合には、結晶質のＭｇＯを形成しにくく、上限値を超える場合には、キャリアのトンネルが生じにくいためである。
【００１６】
また、チャンネル層中の不純物濃度は、１×１０１６〜１×１０２２／ｃｍ３であることが好ましい。この場合には、チャンネル層は完全に金属的な性質を示さず、半導体的な性質を保ち、チャンネル層が金属である場合よりもスピン拡散長が長いなどの性質を保持できるという効果がある。なぜなら、電子濃度が高くなると電子自体のスピン伝導の散乱確率が高くなり、スピン伝導を阻害するからである。また、この不純物が、Ｎ型となることが好ましい。この場合には、ホールよりも電子の方がスピン伝導しやすいという効果がある。なぜなら、N型の場合はs電子であるため角運動量を持たず、スピンが散乱されにくいためにスピン寿命が長いからである。Ｎ型の不純物としては、５族元素（ＰやＡｓなど）が知られている。
【００１７】
なお、これらのＭｇＯの厚みの和が小さい場合、結晶質ＭｇＯの厚みは変動している。なぜならば、結晶質ＭｇＯは二次元平面内で島状に成長するからであり、この島状に成長を始めたＭｇＯの厚みが結晶質ＭｇＯの厚みである。しかしながら、ＭｇＯ層上にｂｃｃ構造のピンド層又はフリー層（強磁性体）がエピタキシャル成長した場合、ＭｇＯ層は結晶質になっているとみなすことが出来るため、その膜厚は、ＴＥＭによる断面観察によって確認することができる。また、ＭｇＯ膜厚に対するｂｃｃ構造のピンド層又はフリー層のエピタキシャル成長の結晶性を、結晶格子の回折パターンから判断することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のスピン注入構造及びスピン伝導デバイスによれば、良好なスピン伝導特性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施の形態に係るスピン伝導デバイスの縦断面図である。
【図２】ＭｇＯ層の近傍領域の拡大図である。
【図３】スピン伝導素子の平面図（ａ）、主要な領域Ｂの拡大図（ｂ）である。
【図４】透過型電子顕微鏡の写真を示す図（ａ）、ＭｇＯ厚みを変えた透過型電子顕微鏡の写真の図（ｂ）である。
【図５】磁界（Ｏｅ）と電圧（Ｖ）の関係を示すグラフである。
【図６】ＳＯＩ基板の斜視図である。
【図７】スピン伝導デバイス中間体の斜視図である。
【図８】Ｓｉ膜をパターニングする際に用いるマスクの上面図である。
【図９】スピン伝導デバイス中間体の斜視図である。
【図１０】スピン伝導デバイス中間体の斜視図である。
【図１１】スピン伝導デバイス中間体の斜視図である。
【図１２】スピン伝導デバイス中間体の斜視図である。
【図１３】スピン伝導デバイス中間体の斜視図（ａ）、図１３（ａ）のｂ−ｂ線に沿った中間体の断面図（ｂ）である。
【図１４】スピン伝導デバイス中間体の斜視図である。
【図１５】スピン伝導デバイスの斜視図（ａ）、図１５（ａ）におけるチャンネル層のＸＺ断面（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、実施の形態に係るスピン注入構造を備えたスピン伝導デバイスについて説明する。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。
【００２１】
図１は、実施の形態に係るスピン伝導デバイスの縦断面図である。
【００２２】
Ｓｉからなる半導体基板１上に絶縁層２が形成され、絶縁層２上に更にＳｉからなる半導体層（チャンネル層）７が形成されている。Ｓｉからなる半導体層７は、絶縁層２上に形成されているので、これらはＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を構成している。半導体層７上には、複数のトンネル障壁（層）８Ｂ，８Ｃが形成されており、それぞれのトンネル障壁８Ｂ，８Ｃ上に、強磁性層１２Ｂ，１２Ｃがそれぞれ形成されている。
【００２３】
ここで、１２Ａは電極層であり、強磁性層１２Ｂは磁化固定層（ピンド層）であり、強磁性層１２Ｃは磁化自由層（フリー層）であり、１２Ｄは電極層である。
【００２４】
なお、ピンド層１２Ｂは、Ｘ軸方向の寸法がＹ軸方向よりも大きく、形状異方性によって、磁化の向きがＸ軸方向に固定されている（図３参照）。フリー層１２Ｃは、Ｘ軸方向の寸法がＹ軸方向よりも大きいが、そのアスペクト比は、ピンド層１２Ｂよりも小さく、磁化の向きが容易に変化する。
【００２５】
各トンネル障壁８Ｂ，８Ｃは、ＭｇＯ（絶縁層）からなる。なお、電極１２Ａ，１２ＤはＳｉに対して低抵抗な非磁性金属であり、例えばＡｌなどが使用され、半導体層７上に直接形成されている。
【００２６】
電源７０からピンド層１２Ｂに電子を供給すると、スピン偏極の揃ったスピン電子がトンネル障壁８Ｂを通り、半導体層７内に注入される。半導体層７内に注入された電子は、場合によっては、電極１２Ａに導入され、電源７０に帰還する。一方、ピンド層１２Ｂからトンネル障壁８Ｂを介して半導体層７内に注入されたスピンは、注入位置において蓄積され、スピン流ＳＰが、Ｙ軸の正方向に沿って拡散・伝播する。スピン流は、スピン流の一部はトンネル障壁８Ｃを介して、フリー層１２Ｃに吸収される。このときフリー層１２Ｃとピンド層１２Ｂの磁化の向きの相対角度によって、フリー層１２Ｃの電位が変動し、半導体層（チャンネル層）７とフリー層１２Ｃとの間に電圧変化が発生する。
【００２７】
フリー層１２Ｃの磁化の向きは、これに近接する配線を流れる電流に伴って発生する外部磁界などによって、変化させることができる。もちろん、フリー層１２Ｃの磁化の向きは、これにスピン注入磁化反転臨界値以上のスピン注入を行うことによっても制御することができる。いずれにしても、この配線に電流を流すことによって、フリー層１２Ｃの磁化の向きを変化させることができ、この状態は１つの情報として保持することができる。すなわち、フリー層１２Ｃと電極１２Ｄ（チャンネル層７）との間の電圧を、電圧計８０によって測定すると、フリー層１２Ｃに与えられた磁界の大きさを検出する、或いは、フリー層１２Ｃに書き込まれた磁界の向きの情報を読み出すことができる。これはメモリ機能を有している。
【００２８】
図２は、トンネル障壁（ＭｇＯ層）８の近傍領域の拡大図である。
【００２９】
上述のように、ピンド層１２Ｂ（ピンド層１２Ｃ）の直下には、ＭｇＯからなるトンネル障壁８が介在している。このスピン注入構造は、Ｓｉからなるチャンネル層７と、チャンネル層７上に形成された強磁性体からなるピンド層１２Ｂ（フリー層１２Ｃ）と、チャンネル層７とピンド層１２Ｂ（フリー層１２Ｃ）との間に介在するトンネル障壁８とを備えており、トンネル障壁８は、チャンネル層７側の領域に位置する非晶質ＭｇＯ層８Ｌと、ピンド層１２Ｂ（フリー層１２Ｃ）側の領域に位置する結晶質ＭｇＯ層８Ｕとを有している。非晶質ＭｇＯ層８Ｌと、単結晶ＭｇＯ層８Ｕとの間には、これらの間の結晶性を有する中間ＭｇＯ層８Ｍが介在している。なお、ＭｇＯ層８Ｌ，８Ｍ，８Ｕは、等しい厚みに描かれているが、これは異なることとしてもよく、また、実際には、これらの結晶状態は強磁性層に近づくほど徐々に改善している。
【００３０】
この構造の場合、ＭｇＯ層８Ｌの領域は、非晶質のＭｇＯ層であるために良好なスピン注入効率を実現できないが、ＭｇＯ層８Ｍ及び８Ｕの領域の結晶質ＭｇＯ層では、磁性層と結晶軸の向きを揃えることができ、磁性層からチャンネル層へのスピンの注入効率を高くすることができる。よって、従来の非晶質ＭｇＯ層だけのトンネル障壁の場合よりもピンド層側の領域に位置する結晶質ＭｇＯ層を有する場合の方がスピンの注入効率を高くすることができる。
【００３１】
トンネル障壁８の厚みは、０．８ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが好ましい。トンネル障壁８の厚みは、１．０ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが更に好ましい。これは、ＭｇＯの厚みが上記下限値未満である場合には、結晶質のＭｇＯを形成しにくく、上限値を超える場合には、キャリアのトンネルが生じにくいためである。
【００３２】
トンネル障壁８（第１トンネル障壁８Ｂ及び第２トンネル障壁８Ｃ:（図１））の非晶質ＭｇＯ層８Ｌ（図２）の厚みは、それぞれ０．６ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが好ましい。これらの厚みは、それぞれ１．４ｎｍ以下であることが更に好ましい。これは非晶質ＭｇＯ層の厚みが上記下限未満であると、トンネル電流を形成できる膜とならないためであり、格子不整合の解消層としての役割を十分果たせなくなるためである。また、これは非晶質ＭｇＯ層８Ｌの厚みが上記上限を超える場合には、スピンを偏極して注入する効率が良くなるよりも、素子の抵抗が高くなりすぎてデバイスとして機能させることが困難になる問題の方が効果としてより大きくなるためである。具体的には高抵抗に伴う信号ノイズの増大及び回路上の駆動電圧・電流に制限があるためである。
【００３３】
第１及び第２結晶質ＭｇＯ層８Ｕの厚みは、それぞれ０．６ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが好ましい。また、第１及び第２結晶質ＭｇＯ層８Ｕの厚みは、それぞれ０．２ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが更に好ましい。これは、上限値（３ｎｍ）を超える場合には、スピンを偏極して注入する効率が良くなるよりも、素子の抵抗が高くなりすぎてデバイスとして機能させることが困難になる問題の方が効果としてより大きくなるためである。具体的には高抵抗に伴う信号ノイズの増大及び回路上の駆動電圧・電流に制限があるためである。下限値を下回る場合には非晶質ＭｇＯ層８Ｌ上のＭｇＯ層８Ｕが結晶質にならないためである。
【００３４】
また、チャンネル層７中の不純物濃度は、１×１０１６〜１×１０２２／ｃｍ３であることが好ましい。この場合には、チャンネル層７は完全に金属的な性質を示さず、半導体的な性質を保ち、チャンネル層７が金属である場合よりもスピン拡散長が長いなどの性質を保持できるという効果がある。なぜなら、電子濃度が高くなると電子自体のスピン伝導の散乱確率が高くなり、スピン伝導を阻害するからである。また、この不純物が、Ｎ型となることが好ましい。この場合には、ホールよりも電子の方がスピン伝導しやすいという効果がある。なぜなら、N型の場合はs電子であるため角運動量を持たず、スピンが散乱されにくいためにスピン寿命が長いからである。Ｎ型の不純物としては、５族元素（ＰやＡｓなど）が知られている。
【００３５】
なお、これらのＭｇＯの厚みの和が小さい場合、結晶質ＭｇＯの厚みは変動している。なぜならば、結晶質ＭｇＯは二次元平面内で島状に成長するからであり、この島状に成長を始めたＭｇＯの厚みが結晶質ＭｇＯの厚みである。しかしながら、ＭｇＯ層上にｂｃｃ構造のピンド層又はフリー層（強磁性体）がエピタキシャル成長した場合、ＭｇＯ層は結晶質になっているとみなすことが出来るため、その膜厚は、ＴＥＭによる断面観察によって確認することができる。また、ＭｇＯ膜厚に対するｂｃｃ構造のピンド層又はフリー層のエピタキシャル成長の結晶性を、結晶格子の回折パターンから判断することができる。
【００３６】
チャンネル層のＭｇＯに接する界面の前処理により、比較的ＭｇＯ層が薄くても結晶質ＭｇＯ層を形成できる。すなわち、ＭｇＯ層からなるトンネル障壁を形成する前処理として、フッ化水素水溶液、塩酸、硫酸、硝酸などの酸性の薬剤およびそれらに過酸化水素を加えた薬剤、さらにアルカリ性の薬剤を用いることにより、チャネル層とするＳｉ表面から酸化被膜などを除去することができる。この前処理によりＳｉ表面は清浄面となり、比較的ＭｇＯ層が薄くても結晶質のＭｇＯ層を形成することができる。
【００３７】
なお、ピンド層１２Ｂ（フリー層１２Ｃ）は、単結晶ＭｇＯ層８Ｕ上にエピタキシャル成長した、体心立方格子（ｂｃｃ）構造の強磁性体からなる。単結晶のＭｇＯ層８Ｕ上には、ｂｃｃ構造の強磁性体（ピンド層１２Ｂ，フリー層１２Ｃ）が容易にエピタキシャル成長（結晶軸を共通として成長）し、これらの界面の結晶性が良好な秩序を有するため、スピンの流れに対する阻害要因が減少する。
【００３８】
次に、スピン伝導デバイスの平面構造について説明する。
【００３９】
図３は、スピン伝導デバイスの平面図（ａ）、主要な領域Ｂの拡大図（ｂ）である。なお、図１は、図３におけるＩ−Ｉ矢印断面を示している。
【００４０】
図３（ａ）に示すように、Ｓｉチャンネル層７は、Ｙ軸方向を長軸とした直方体形状を有している。図３（ｂ）に示すように、配線１８Ｂの下には、ピンド１２Ｂが設けられている。また、配線１８Ｃの下には、フリー層１２Ｃが設けられている。ピンド層１２Ｂ及びフリー層１２Ｃは、それぞれＸ軸方向を長軸とした直方体形状を有している。Ｙ軸方向における幅が、ピンド層１２Ｂよりもフリー層１２Ｃの方が大きい。ピンド層１２Ｂ及びフリー層１２Ｃは、Ｘ軸方向とＹ軸方向のアスペクト比の違いによって、反転磁場の差が付けられている。このように、ピンド層１２Ｂ及びフリー層１２Ｃには、形状異方性によって保磁力差が付けられており、ピンド層１２Ｂは、フリー層１２Ｃよりも保磁力が大きい。
【００４１】
ピンド層１２Ｂ及びフリー層１２Ｃの材料は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群から選択される金属、前記群の元素を１以上含む合金、又は、前記群から選択される１以上の元素及びＢ、Ｃ、及びＮからなる群から選択される１以上の元素を含む合金である。また、ピンド層１２Ｂ及びフリー層１２Ｃは、当該金属や合金の積層体でも良い。例えば、ピンド層１２Ｂまたはフリー層１２Ｃとして、Ｆｅ及びＴｉの積層膜を用いる。
【００４２】
トンネル障壁８は絶縁性材料からなり、ＭｇＯが用いられる。配線１８Ａ、１８Ｂ，１８Ｃ、１８Ｄは、Ｃｕなどの導電性材料からなる。なお、電極パッドＥ１、Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４は、Ａｕなどの導電性材料からなる。配線１８Ａ、１８Ｂ，１８Ｃ、１８Ｄは、それぞれ、電極１２Ａ，ピンド層１２Ｂ、フリー層１２Ｃ、電極１２Ｄ上に形成されたものである。電極パッドＥ１、Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４は、それぞれ配線１８Ｂ、１８Ｃ，１８Ａ、１８Ｄに電気的に接続されたものである。上記電子の供給は、電極パッドＥ１とＥ３との間に電源７０（図１参照）接続することにより行われ、上記電圧の検出は、電極パッドＥ２とＥ４との間に電圧計８０（図１参照）を接続することにより行われる。
【００４３】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、ＭｇＯ層近傍の透過型電子顕微鏡の写真を示す図である。
【００４４】
図４（ａ）ではＳｉ層上に、ＭｇＯ層及びＦｅ層（強磁性層）が順次堆積されている。Ｓｉ層、ＭｇＯ層、Ｆｅ層の厚みは、それぞれ、１００ｎｍ、０．８ｎｍ、１０ｎｍである。なお、Ｆｅ層上には、測定における試料の研磨の際に素子を保護するＴａ保護膜が堆積されている。ＭｇＯ層のＳｉ層側は非晶質である一方で、ＭｇＯ層のＦｅ層側は、結晶化していることが分かる。また、Ｆｅ層はＭｇＯ層と接する界面から結晶質になっており、これはＭｇＯ層のＦｅ側が結晶質になっていることを示している。
【００４５】
図４（ｂ）ではＳｉ層上に、ＭｇＯ層及びＦｅ層（強磁性層）が順次堆積されている。図４（ｂ）は、ＭｇＯ層の状態が明瞭に観測できるようにするため、実際に使用できる素子のＭｇＯ膜厚の上限３ｎｍよりも厚く成膜した試料の図である。Ｓｉ層、ＭｇＯ層、Ｆｅ層の厚みは、それぞれ、１００ｎｍ、５ｎｍ、２０ｎｍである。ＭｇＯ層のＳｉ層側は非晶質であるが、およそ０．８ｎｍの非晶質ＭｇＯの上には結晶質のＭｇＯ層が明確に確認できる。
【００４６】
図５は、スピン伝導デバイスにおける磁界（Ｏｅ）と電圧（Ｖ）の関係を示すグラフである。
【００４７】
フリー層１２Ｃ（図３参照）に印加される磁界の向きはＸ軸方向、ピンド層１２Ｂ（図３参照）の磁化の向きはＸ軸方向である。
【００４８】
実線は、負方向の磁界が与えられている場合に、フリー層１２Ｃとピンド層１２Ｂの磁化の向きが等しく、−Ｘ軸方向を向いており、磁界の大きさを正方向に徐々に大きくし、＋Ｘ軸方向の磁界が与えられた場合に（例：１００（Ｏｅ）以上）、フリー層１２Ｃの磁界が反転し、＋Ｘ軸方向を向き、更に正方向に大きな磁界を与えた場合には、ピンド層１２Ｂの磁化の向きが反転して＋Ｘ軸方向を向いた場合を示す。
【００４９】
点線は、正方向の磁界が与えられている場合に、フリー層１２Ｃとピンド層１２Ｂの磁化の向きが等しく、＋Ｘ軸方向を向いており、磁界の大きさを負方向に徐々に大きくし、−Ｘ軸方向の磁界が与えられた場合に（例；−１００（Ｏｅ）以下）、フリー層１２Ｃの磁界が反転し、−Ｘ軸方向を向き、更に負方向に大きな磁界を与えた場合には、ピンド層１２Ｂの磁化の向きも反転して−Ｘ軸方向を向いた場合を示す。
【００５０】
ピンド層１２Ｂから注入されチャンネル層７内を拡散・伝導するスピン流は、フリー層１２Ｃに吸収され、出力電圧を生じる。フリー層１２Ｃの磁化の向きが、ピンド層１２Ｂの磁化の向きと反平行となる場合、電圧計８０（図１参照）で測定される、電圧（Ｖ）の絶対値は、３×１０−７（Ｖ）を超える。なお、電圧計８０は、磁化の向きが反平行の場合に負電圧が計測されるように接続されている。フリー層１２Ｃの磁化の向きが、ピンド層１２Ｂの磁化の向きと平行の場合には電圧（Ｖ）はゼロに近い値となる。このように、Ｓｉスピン伝導素子では、電圧出力特性が良好なものとなっている。
【００５１】
次に、上述のスピン伝導デバイスの製造方法について説明する。なお、以下の説明では、基本構造の明確化のため、スピン伝導デバイスの平面形状を上述のものよりも簡略化した場合を示す。
【００５２】
図６は、ＳＯＩ基板の斜視図である。
【００５３】
まず、図６に示すような、Ｓｉからなる半導体基板１、Ｓｉ酸化膜からなる絶縁層２、及び、表面が（１００）面であるＳｉからなるチャンネル層３が、この順に形成されたＳＯＩ基板Ｓを準備する。
【００５４】
半導体層３に導電性を付与するためのイオンを注入し、その後、アニールを行ってイオンを拡散させる。例えば、導電性を付与するためのイオンとしてＢやＰが挙げられる。また、アニール温度は、例えば９００℃とすることができる。
【００５５】
次いで、洗浄により、ＳＯＩ基板Ｓの表面の付着物、有機物、及び酸化膜の除去をする。洗浄液として、例えば、アセトン、イソプロピルアルコール及びＨＦ（水溶液）を用いることができる。
【００５６】
図７は、スピン伝導デバイス中間体の斜視図である。
【００５７】
ＳＯＩ基板Ｓの洗浄後、図７に示すように、ＳＯＩ基板Ｓの半導体層３上に、絶縁層４及び強磁性層５を成膜する。絶縁層４及び強磁性層５は、例えば、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法などにより成膜する。さらに、洗浄により、強磁性層５の表面の付着物、有機物、及び酸化膜の除去をする。洗浄液として、例えば、アセトン、イソプロピルアルコールを用いることができる。
【００５８】
強磁性層５の洗浄後、図７に示すように、強磁性層５上にアライメントパターンＰを作製する。アライメントパターンＰの作製は、フォトリソグラフィー法により行う。例えば、アライメントパターンＰとして１００ｎｍのＴａ膜を用いる。
【００５９】
図８は、Ｓｉ膜をパターニングする際に用いるマスクの上面図である。
【００６０】
続いて、強磁性層５の上に保護膜のためのＴａを３ｎｍ成膜する。さらに、フォトリソグラフィー法により、Ｔａ上にマスクを形成する。図８（ａ）及び図８（ｂ）にマスクの形状の一例を示す。図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、主要部２０と、主要部２０から突出した角部２１，２２とを有するようなマスクＭ１又はＭ２を用いる。この際、角部２１，２２が主要部２０の面積よりも小さな面積を有するようなマスクを用いると良い。また、主要部２０が長方形の場合、突出した角部２１，２２は、長方形の四隅に配置される。
【００６１】
図８（ａ）のように、マスクＭ１の角部２１は、マスクＭ１の主要部２０と重なる範囲を含めて、正方形でも良い。また、図８（ｂ）のように、マスクＭ２の角部２２は、マスクＭ２の主要部２０と重なる範囲を含めて、円形でも良い。この他にも、マスクの角部は、マスクの主要部と重なる範囲を含めて、例えば、長方形や三角形であっても良い。なお、角部を有さないマスクを用いても実施は可能である。
【００６２】
図９は、スピン伝導デバイス中間体の斜視図である。
【００６３】
上記のようなマスクＭ１，Ｍ２を用いて、絶縁層４、強磁性層５、Ｔａ層をイオンミリングによりパターニングして、絶縁層８、強磁性層９、及びＴａ層をマスクの直下に残留させる。これら絶縁層８、強磁性層９、Ｔａ膜、及びレジストをマスクとして、半導体層３をウェットエッチングによりパターニングして、図９に示すようなＳｉチャンネル層７を得る（第一工程）。ウェットエッチングとして、異方性ウェットエッチングを用いることができる。エッチング液として、例えば水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液（ＴＭＡＨ）や水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）を用いる。なお、ウェットエッチング後に、レジストは除去される。また、ウェットエッチング後に、Ｔａ膜は除去されるか後述する配線と一体化する。
【００６４】
なお、図８に示したように、主要部２０から突出した角部２１，２２を有するマスクＭ１，Ｍ２を用いることにより、所望の形状のＳｉチャンネル層７を得ることができる。異方性ウェットエッチングを用いた場合、Ｓｉチャンネル層７の側面には、傾斜部が形成される。異方性ウェットエッチングを用いた場合、傾斜面は（１１１）面となり、半導体基板１の表面に対しておよそ５５度の角度となる。図９では、主要部が矩形状のマスクを用いた場合を示しており、Ｙ方向が長軸方向となる矩形状のＳｉチャンネル層７が形成される。
【００６５】
図１０は、スピン伝導デバイス中間体の斜視図である。
【００６６】
上記状態において、Ｓｉチャンネル層７の傾斜部は、外気に対して露出しているため、Ｓｉチャンネル層７の側面は自然酸化され、図１０に示すように、酸化膜７ａが形成される。あるいは、Ｓｉチャンネル層７の側面に酸化膜７ａを酸素アニールにより成膜してもよい。次に、Ｔａ及び強磁性層９表面の酸化膜をイオンミリングで除去した後、強磁性層９をエッチングによりパターニングする。
【００６７】
図１１は、スピン伝導デバイス中間体の斜視図である。
【００６８】
上記エッチングにより、図１１に示すようなピンド１２Ｂ、フリー層１２Ｃ、を形成する。この際、ピンド層１２Ｂ、フリー層１２Ｃは、絶縁層（トンネル障壁層）８上において、長軸方向すなわちＹ軸方向に並んで配置するように形成する。
【００６９】
また、絶縁層８の一部分もエッチングしておき、露出したＳｉチャンネル層７上に、ピンド層側電極１２Ａ、フリー層側電極１２Ｄを形成する。このピンド層側電極１２Ａ、フリー層側電極１２ＤはＳｉに対して低抵抗な非磁性金属であり、例えばＡｌによる電極が形成される。
【００７０】
以上のようにして、Ｓｉチャンネル層７上に、互いに離間された磁化自由層１２Ｃ及び磁化固定層１２Ｂを形成する（第二工程）。この際、Ｙ軸方向における幅が、ピンド層１２Ｂよりもフリー層１２Ｃの方が大きくなるように形成する。このようなパターニングは、例えば、イオンミリング及び化学的なエッチングによって、絶縁層８及び強磁性層９の不要な部分を除去することにより行われる。
【００７１】
図１２は、スピン伝導デバイス中間体の斜視図である。
【００７２】
次に、図１２に示すように、ピンド層側電極１２Ａ、ピンド層１２Ｂ、フリー層１２Ｃ、及びフリー層側電極１２Ｄの上面以外に、例えば、スパッタリング等により、好ましくはＳｉ酸化膜などの酸化膜７ｂを形成する。すなわち、酸化膜７ａ、絶縁層８、ピンド層側電極１２Ａ、ピンド層１２Ｂ、フリー層１２Ｃ、及びフリー層側電極１２Ｄの側面に、酸化膜７ｂを形成する。
【００７３】
図１３は、スピン伝導デバイス中間体の斜視図（ａ）、図１３（ａ）のｂ−ｂ線に沿った中間体の断面図（ｂ）である。図１３（ｂ）の構造は、要素１２Ｂ及び配線１８Ｂを含む位置の断面であるが、要素１２Ｂ及び配線１８Ｂを、要素１２Ａ及び１８Ａ、１２Ｃ及び１８Ｃ、又は、１２Ｄ及び１８Ｄに置き換えた場合には、図１３（ｂ）は、各要素を通る断面に読み替えることができる。なお、要素１２Ａ又は１２Ｄを含む断面の場合には、絶縁層８は省略される。
【００７４】
図１３（ａ）に示すように、ピンド層側電極１２Ａ上及びＳｉチャンネル層７の傾斜した側面上に、配線１８Ａを形成する。ピンド層１２Ｂ上及びＳｉチャンネル層７の傾斜した側面上に、配線１８Ｂを形成する。フリー層１２Ｃ上及びＳｉチャンネル層７の傾斜した側面上に、配線１８Ｃを形成する。フリー層側電極１２Ｄ上及びＳｉチャンネル層７の傾斜した側面上に、配線１８Ｄを形成する。配線１８Ａ〜１８Ｄは、例えばフォトリソグラフィー法により形成することができる。
【００７５】
この酸化膜７ｂにより、Ｓｉチャンネル層７のスピンが配線に吸収されることを抑制できる。なお、通常、半導体よりも導体である配線は、スピン拡散長が短く、Ｓｉチャンネル層７に直接接触すると、スピンが吸収されてしまう。また、本来強磁性層であるピンド層１２ＢからＳｉチャンネル層７へスピンを注入するはずが、導体である配線からＳｉチャンネル層７へ電流が流れると、スピン注入効率が著しく悪くなるが、本例では、かかる問題は解決されている。
【００７６】
図１４は、スピン伝導デバイス中間体の斜視図である。
【００７７】
続いて、図１４に示すように、配線１８Ａ〜１８Ｄのそれぞれの端部に、測定用の電極パッドＥ１〜Ｅ４を形成する。なお、配線１８Ａ〜１８Ｄの端部及び測定用の電極パッドＥ１〜Ｅ４は、ウェットエッチングによって露出されたＳｉ酸化層２及び酸化膜７ｂ上に形成する。最後にダイシングを行い、個々の素子にチップ化することにより、所望のＳｉスピン伝導デバイスを得る。
【００７８】
図１５は、スピン伝導素子の斜視図（ａ）、図１５（ａ）におけるチャンネル層のＸＺ断面（ｂ）である。図１５（ｂ）の構造は、要素１２Ｂ及び配線１８Ｂを含む位置の断面であるが、要素１２Ｂ及び配線１８Ａを、要素１２Ａ及び１８Ａ、１２Ｃ及び１８Ｃ、又は、１２Ｄ及び１８Ｄに置き換えた場合には、図１５（ｂ）は、各要素を通る断面に読み替えることができる。なお、要素１２Ａ又は１２Ｄを含む断面の場合には、絶縁層８は省略される。
【００７９】
図１５（ａ）に示すように、Ｓｉスピン伝導素子１０は、半導体基板１上に設けられたＳｉ酸化層２と、Ｓｉ酸化層２上に設けられたＳｉチャンネル層７と、Ｓｉチャンネル層７の第一の部分上に設けられたフリー層１２Ｃと、Ｓｉチャンネル層７の第一の部分とは異なる第二の部分上に設けられたピンド層１２Ｂとを備えている。Ｓｉチャンネル層７はウェットエッチングにより形成されたものである。
【００８０】
さらに、Ｓｉスピン伝導デバイス１０は、Ｓｉチャンネル層７上の第三の部分上に設けられたピンド層側電極１２Ａと、Ｓｉチャンネル層７上の第四の部分上に設けられたフリー層側電極１２Ｄとを備えている。また、Ｓｉチャンネル層７と、ピンド層１２Ｂ、フリー層１２Ｃとの間には、絶縁層（トンネル障壁層）８が設けられている。また、ピンド側電極１２Ａ及びフリー層側電極１２Ｄとして、ＡｌなどのＳｉに対して低抵抗な非磁性金属を用いている。
【００８１】
図１５（ｂ）に示すように、Ｓｉチャンネル層７は、側面に傾斜部を有しており、その傾斜角度θは、５０度〜６０度である。ここで、傾斜角度θとは、Ｓｉチャンネル層７の底部と側面のなす角度（内角）である。
【００８２】
図１５（ａ）に示すように、ピンド層側電極１２Ａ上及びＳｉチャンネル層７の傾斜した側面上に、配線１８Ａが設けられている。ピンド層１２Ｂ上及びＳｉチャンネル層７の傾斜した側面上に、配線１８Ｂが設けられている。フリー層１２Ｃ上及びＳｉチャンネル層７の傾斜した側面上に、配線１８Ｃが設けられている。フリー層側電極１２Ｄ上及びＳｉチャンネル層７の傾斜した側面上に、配線１８Ｄが設けられている。配線１８Ａ〜１８Ｄのそれぞれの端部には、測定用の電極パッドＥ３，Ｅ１，Ｅ２，Ｅ４が設けられている。なお、配線１８Ａ〜１８Ｄの端部及び測定用の電極パッドＥ１〜Ｅ４は、Ｓｉ酸化膜２上に形成されている。
【００８３】
以上のようにして、Ｓｉスピン伝導素子１０を得ることができる。得られたＳｉスピン伝導素子１０において、図１５（ａ）に示すように、電極パッドＥ１及びＥ３を電流源７０に接続することにより、ピンド層１２Ｂにスピン注入用電流を流すことができる。強磁性体であるピンド層１２Ｂから非磁性のＳｉチャンネル層７へスピン注入用電流が流れることにより、ピンド層１２Ｂの磁化の向きに対応するスピンがＳｉチャンネル層７へ注入される。注入されたスピンはフリー層１２Ｃ側へ拡散していく。
【００８４】
このように、Ｓｉチャンネル層７に流れる電流及びスピン流が、主にＹ方向に流れる構造とすることができる。そして、外部からの磁界によって変化されるフリー層１２Ｃの磁化の向き、すなわち電子のスピンと、Ｓｉチャンネル層７のフリー層１２Ｃと接する部分の電子のスピンとの相互作用により、Ｓｉチャンネル層７とフリー層１２Ｃの界面において電圧出力が発生する。この電圧出力は、電極パッドＥ２及びＥ４に接続した電圧計８０により検出することができる。
【００８５】
本発明のＳｉスピン伝導デバイス１０によれば、Ｓｉ膜をウェットエッチングによりパターニングするため、Ｓｉチャンネル層に対する物理的なダメージが少なく、Ｓｉチャンネル層の結晶構造を高いままに維持できるものと考えられる。これにより、スピンの散乱が抑制され、高い電圧出力が可能となるものと考えられる。
【００８６】
なお、図５のグラフが得られた具体的な製造方法は、以下の通りである。
【００８７】
まず、Ｓｉ基板、Ｓｉ酸化膜（厚さ２００ｎｍ）、及びＳｉ膜（厚さ１００ｎｍ）からなるＳＯＩ基板を準備した。次に、Ｓｉ膜に導電性を付与するためのイオンを注入し、その後、アニールを行ってイオンを拡散させた。アニール温度は、９００℃である。その後、洗浄により、ＳＯＩ基板のＳｉ膜の表面の付着物、有機物、及び酸化膜の除去をした。洗浄液として、ＨＦを用いた。
【００８８】
続いて、Ｓｉ膜上に、ＭｇＯ膜（厚さ０．８ｎｍ）、Ｆｅ膜（厚さ１０ｎｍ）、Ｔｉ膜（厚さ５ｎｍ）、及びＴａ膜（厚さ３ｎｍ）の積層体を形成した。その後、Ｔａ膜の表面をアセトンおよびイソプロピルアルコールで洗浄した。次いで、異方性ウェットエッチングにより、側面に傾斜部を有するＳｉチャンネル層を得た。この際、Ｓｉチャンネル層のサイズは、２３μｍ×３００μｍとした。得られたＳｉチャンネル層の側面の傾斜部の傾斜角度θは５５度であった。エッチング液には、ＴＭＡＨを用いた。
【００８９】
その後、イオンミリング法及び化学的なエッチングによりパターニングして、Ｆｅ層及びＴｉ層の積層体からなるピンド層、フリー層、をそれぞれ得た。また、Ｓｉチャンネル層上にＳｉに対して低抵抗な非磁性金属から成るピンド層側電極、フリー層側電極を得た。
【００９０】
次に、ピンド側電極、ピンド層、フリー層、及びフリー層側電極上に配線をそれぞれ形成した。配線として、Ｔａ（厚さ１０ｎｍ）、Ｃｕ（厚さ５０ｎｍ）、及びＴａ（厚さ１０ｎｍ）の積層構造を用いた。さらに、各配線の端部にそれぞれ電極パッドを形成した。電極パッドとして、Ｃｒ（厚さ５０ｎｍ）とＡｕ（厚さ１５０ｎｍ）の積層構造を用いた。こうして、スピン伝導素子１０を得た。
【００９１】
この素子は、図５に示す如く、良好な特性を有しており、磁化反転によって、大きな出力電圧が得られるものであった。
【００９２】
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。上記実施形態では、第一工程において、半導体層３上に設けられた絶縁層４及び強磁性層５をイオンミリングによりパターニングした後に、半導体層３をウェットエッチングによりパターニングする例を示した。しかしながら、半導体層３上に絶縁層４及び強磁性層５を形成する前に、半導体層３のみをウェットエッチングによりパターニングしても良い。そして、パターニングされたＳｉ層上に、後から絶縁層及び強磁性層を形成し、これらをパターニングしてもよい。
【００９３】
また、Ｓｉチャンネル層７上において、ピンド層１２Ｂ及びフリー層１２Ｃとの間に、電極を更に備えていても良い。これにより、当該電極から電場あるいは磁場をピンド層１２Ｂ及びフリー層１２Ｃの間を流れるスピン流または電流に印加することができる。これにより、スピンの偏極方向を調節することが可能となる。
【００９４】
また、ピンド層１２Ｂ上に反強磁性層を更に備えても良い。反強磁性層は、磁化固定層１２Ｂの磁化の向きを固定するものとして機能する。反強磁性層が磁化固定層と交換結合することにより、磁化固定層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、反強磁性層を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する磁化固定層が得られる。
【００９５】
反強磁性層に用いられる材料は、磁化固定層に用いられる材料に合わせて選択される。例えば、反強磁性層として、Ｍｎを用いた反強磁性を示す合金、具体的にはＭｎと、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｆｅ，Ｒｕ，Ｃｒ，Ｐｄ，及びＮｉのうちから選ばれる少なくとも一つの元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、例えば、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎが挙げられる。
【００９６】
また、上記ピンド層とフリー層の構造を同時に備えたスピン伝導デバイスは、チャンネル層へのスピン注入効率とフリー層へのスピン注入効率が高くなるため、高精度の磁場検出や、磁場等による磁化の向きの変化を利用した高精度のメモリに適用することができる。また、このようなスピン伝導デバイスを用いた磁気センサ、メモリ、又はハードヂィスク読み取り装置は、高精度となる。また、上記スピン伝導デバイスは、スピントランジスタやロジック回路にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明は、半導体へのスピン注入構造に用いることができ、これを用いたスピン伝導デバイスに利用出来る。
【符号の説明】
【００９８】
１…Ｓｉ基板、２…Ｓｉ酸化膜、３…Ｓｉ膜、４…絶縁膜、５…強磁性膜、７…Ｓｉチャンネル層、８…絶縁層、９…強磁性層、１２Ａ…磁化固定層側電極、１２Ｂ…磁化固定層、１２Ｃ…磁化自由層、１２Ｄ…磁化自由層側電極、１８Ａ〜１８Ｄ…配線、Ｓ…ＳＯＩ基板、Ｅ１〜Ｅ４…電極パッド、Ｐ…アライメントパターン、Ｍ１，Ｍ２…マスク、２０…主要部、２１，２２…角部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｓｉチャンネル層を有するスピン注入構造とそれを用いたスピン伝導デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、半導体におけるスピン伝導現象が、多くの注目を集めている。これは電子回路における半導体の登場と同様に、半導体におけるスピン伝導においても、従来の金属材料を用いたスピン伝導と異なる特性が期待されているからである。現在、半導体を利用したスピンデバイスは、実現されていないが、幾つかのデバイスへの応用が期待されている。例えば磁気センサ、スピントランジスタ及びメモリがあり、高密度磁気ヘッドの読み取り装置やプログラムで再構成可能なロジック回路への適用が考えられている。このような半導体を用いたスピン伝導デバイスの特徴として、半導体内のスピン伝導においては、そのスピン拡散長が金属内のスピン拡散長に比べて格段に長いので、出力の観点、回路的に多様な使い方が出来る優位性がある。
【０００３】
このようなスピン伝導デバイスにおいては、半導体に電子の偏極したスピンを注入するためには、強磁性体を偏極スピンを取りだすフィルタとして用いることが出来る。強磁性体を用いてスピンを注入出来るためデバイスの簡略化が可能になるという利点がある。その一方で、半導体と強磁性金属を直接接触させた場合には、導電率整合（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｍａｔｃｈｉｎｇ）がとりにくく、スピンが半導体と強磁性体との界面で散乱されるという問題を生じる。そこで、ＧａＡｓなどの半導体と強磁性体との間に単結晶のＭｇＯトンネル障壁を介在させたスピン注入構造が提案されている（特許文献１参照）。ＧａＡｓとＭｇＯは格子整合し、偏極したスピンの注入が容易になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許７２７４０８０号明細書
【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、従来のスピン注入構造において、ＭｇＯはＳｉ上にエピタキシャル成長しないため、格子不整合によりそこを通過する偏極したスピンが乱されて、偏極スピンが減少する。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、良好な特性を維持可能なスピン注入構造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】
【０００７】
上述の課題を解決するため、本発明に係るスピン注入構造は、Ｓｉからなるチャンネル層と、チャンネル層上に形成された強磁性体からなる磁化固定層（ピンド層）と、チャンネル層とピンド層との間に介在する第１トンネル障壁とを備え、第１トンネル障壁は、チャンネル層側の領域に位置する第１非晶質ＭｇＯ層と、ピンド層側の領域に位置する第１結晶質ＭｇＯ層とを有することを特徴とする。
【０００８】
この構造の場合、ＳｉとＭｇＯとは結晶の格子定数が異なるが、第１トンネル障壁のチャンネル層側の領域は、非晶質のＭｇＯ層とされているため、格子不整合の影響は低減される。言い換えれば、第１トンネル障壁のチャンネル層側の非晶質のＭｇＯ層は格子不整合の解消層としての役割を果たす。
【０００９】
この構造の場合、第１トンネル障壁のチャンネル層側の領域は、非晶質のＭｇＯ層の場合は良好なスピン注入効率を実現できないが、もう一方の結晶質ＭｇＯ層では、磁性層と結晶軸の向きを揃えることができ、偏極したスピンが多く半導体に注入され、トータルでは磁性層からチャンネル層へのスピンの注入効率をより高くすることできる。よって、従来の非晶質ＭｇＯ層だけのトンネル障壁の場合よりもピンド層側の領域に位置する第１結晶質ＭｇＯ層を有する場合の方がスピンの注入効率を高くすることができ、良好なスピン伝導特性を有する。
【００１０】
また、本発明に係るスピン注入構造は、チャンネル層上に形成された磁化自由層（フリー層）と、チャンネル層とフリー層との間に介在する第２トンネル障壁とを備え、第２トンネル障壁は、チャンネル層側の領域に位置する第２非晶質ＭｇＯ層と、ピンド層側の領域に位置する第２結晶質ＭｇＯ層とを有することが好ましい。
【００１１】
この構造の場合、ピンド層からチャンネル層にスピン注入を行った場合、チャンネル層内をスピン流が拡散して、第２トンネル障壁を介して、フリー層で吸収され、ピンド層とフリー層との間の磁化の向きに応じて、フリー層とチャンネル層との間の電圧が変化する。第２トンネル障壁のチャンネル層側の領域は、非晶質のＭｇＯ層とされているため、チャンネル層と第２トンネル障壁との間の格子不整合の影響は低減される。言い換えれば、第２トンネル障壁のチャンネル層側の非晶質のＭｇＯ層は格子不整合の解消層としての役割を果たす。
【００１２】
また、ピンド層は、第１結晶質ＭｇＯ層上にエピタキシャル成長した、体心立方格子（ｂｃｃ）構造の強磁性体からなることが好ましい。また、フリー層は、第２結晶質ＭｇＯ層上にエピタキシャル成長した、体心立方格子構造の強磁性体を有することが好ましい。結晶質のＭｇＯ上には、ｂｃｃ構造のピンド層又はフリー層（強磁性体）が容易にエピタキシャル成長（結晶軸を共通として成長）し、これらの界面の結晶性が良好な秩序を有するため、スピンの流れに対する阻害要因が減少する。
【００１３】
第１トンネル障壁及び第２トンネル障壁の非晶質ＭｇＯ層の厚みは、それぞれ０．６ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが好ましい。これらの厚みは、それぞれ１．４ｎｍ以下であることが更に好ましい。これは非晶質ＭｇＯ層の厚みが上記下限未満であると、トンネル電流を形成できる膜とならないためであり、格子不整合の解消層としての役割を十分果たせなくなるためである。また、これは非晶質ＭｇＯ層の厚みが上記上限を超える場合には、スピンを偏極して注入する効率が良くなるよりも、素子の抵抗が高くなりすぎてデバイスとして機能させることが困難になる問題の方が効果としてより大きくなるためである。具体的には高抵抗に伴う信号ノイズの増大及び回路上の駆動電圧・電流に制限があるためである。
【００１４】
第１及び第２結晶質ＭｇＯ層の厚みは、それぞれ０．６ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが好ましい。また、第１及び第２結晶質ＭｇＯ層の厚みは、それぞれ０．２ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが更に好ましい。これは、上限値（３ｎｍ）を超える場合には、スピンを偏極して注入する効率が良くなるよりも、素子の抵抗が高くなりすぎてデバイスとして機能させることが困難になる問題の方が効果としてより大きくなるためである。具体的には高抵抗に伴う信号ノイズの増大及び回路上の駆動電圧・電流に制限があるためである。下限値を下回る場合には非晶質ＭｇＯ層上のＭｇＯ層が結晶質にならないためである。
【００１５】
なお、全てのＭｇＯ層の厚みの和が１．０ｎｍ未満である場合には、単結晶のＭｇＯを形成しにくい。換言すれば，ＭｇＯ層からなる第１及び第２トンネル障壁の厚みは、それぞれ０．８ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが好ましく、１．０ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが更に好ましい。これは、ＭｇＯ層の厚みが上記下限値未満である場合には、結晶質のＭｇＯを形成しにくく、上限値を超える場合には、キャリアのトンネルが生じにくいためである。
【００１６】
また、チャンネル層中の不純物濃度は、１×１０１６〜１×１０２２／ｃｍ３であることが好ましい。この場合には、チャンネル層は完全に金属的な性質を示さず、半導体的な性質を保ち、チャンネル層が金属である場合よりもスピン拡散長が長いなどの性質を保持できるという効果がある。なぜなら、電子濃度が高くなると電子自体のスピン伝導の散乱確率が高くなり、スピン伝導を阻害するからである。また、この不純物が、Ｎ型となることが好ましい。この場合には、ホールよりも電子の方がスピン伝導しやすいという効果がある。なぜなら、N型の場合はs電子であるため角運動量を持たず、スピンが散乱されにくいためにスピン寿命が長いからである。Ｎ型の不純物としては、５族元素（ＰやＡｓなど）が知られている。
【００１７】
なお、これらのＭｇＯの厚みの和が小さい場合、結晶質ＭｇＯの厚みは変動している。なぜならば、結晶質ＭｇＯは二次元平面内で島状に成長するからであり、この島状に成長を始めたＭｇＯの厚みが結晶質ＭｇＯの厚みである。しかしながら、ＭｇＯ層上にｂｃｃ構造のピンド層又はフリー層（強磁性体）がエピタキシャル成長した場合、ＭｇＯ層は結晶質になっているとみなすことが出来るため、その膜厚は、ＴＥＭによる断面観察によって確認することができる。また、ＭｇＯ膜厚に対するｂｃｃ構造のピンド層又はフリー層のエピタキシャル成長の結晶性を、結晶格子の回折パターンから判断することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のスピン注入構造及びスピン伝導デバイスによれば、良好なスピン伝導特性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施の形態に係るスピン伝導デバイスの縦断面図である。
【図２】ＭｇＯ層の近傍領域の拡大図である。
【図３】スピン伝導素子の平面図（ａ）、主要な領域Ｂの拡大図（ｂ）である。
【図４】透過型電子顕微鏡の写真を示す図（ａ）、ＭｇＯ厚みを変えた透過型電子顕微鏡の写真の図（ｂ）である。
【図５】磁界（Ｏｅ）と電圧（Ｖ）の関係を示すグラフである。
【図６】ＳＯＩ基板の斜視図である。
【図７】スピン伝導デバイス中間体の斜視図である。
【図８】Ｓｉ膜をパターニングする際に用いるマスクの上面図である。
【図９】スピン伝導デバイス中間体の斜視図である。
【図１０】スピン伝導デバイス中間体の斜視図である。
【図１１】スピン伝導デバイス中間体の斜視図である。
【図１２】スピン伝導デバイス中間体の斜視図である。
【図１３】スピン伝導デバイス中間体の斜視図（ａ）、図１３（ａ）のｂ−ｂ線に沿った中間体の断面図（ｂ）である。
【図１４】スピン伝導デバイス中間体の斜視図である。
【図１５】スピン伝導デバイスの斜視図（ａ）、図１５（ａ）におけるチャンネル層のＸＺ断面（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、実施の形態に係るスピン注入構造を備えたスピン伝導デバイスについて説明する。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。
【００２１】
図１は、実施の形態に係るスピン伝導デバイスの縦断面図である。
【００２２】
Ｓｉからなる半導体基板１上に絶縁層２が形成され、絶縁層２上に更にＳｉからなる半導体層（チャンネル層）７が形成されている。Ｓｉからなる半導体層７は、絶縁層２上に形成されているので、これらはＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を構成している。半導体層７上には、複数のトンネル障壁（層）８Ｂ，８Ｃが形成されており、それぞれのトンネル障壁８Ｂ，８Ｃ上に、強磁性層１２Ｂ，１２Ｃがそれぞれ形成されている。
【００２３】
ここで、１２Ａは電極層であり、強磁性層１２Ｂは磁化固定層（ピンド層）であり、強磁性層１２Ｃは磁化自由層（フリー層）であり、１２Ｄは電極層である。
【００２４】
なお、ピンド層１２Ｂは、Ｘ軸方向の寸法がＹ軸方向よりも大きく、形状異方性によって、磁化の向きがＸ軸方向に固定されている（図３参照）。フリー層１２Ｃは、Ｘ軸方向の寸法がＹ軸方向よりも大きいが、そのアスペクト比は、ピンド層１２Ｂよりも小さく、磁化の向きが容易に変化する。
【００２５】
各トンネル障壁８Ｂ，８Ｃは、ＭｇＯ（絶縁層）からなる。なお、電極１２Ａ，１２ＤはＳｉに対して低抵抗な非磁性金属であり、例えばＡｌなどが使用され、半導体層７上に直接形成されている。
【００２６】
電源７０からピンド層１２Ｂに電子を供給すると、スピン偏極の揃ったスピン電子がトンネル障壁８Ｂを通り、半導体層７内に注入される。半導体層７内に注入された電子は、場合によっては、電極１２Ａに導入され、電源７０に帰還する。一方、ピンド層１２Ｂからトンネル障壁８Ｂを介して半導体層７内に注入されたスピンは、注入位置において蓄積され、スピン流ＳＰが、Ｙ軸の正方向に沿って拡散・伝播する。スピン流は、スピン流の一部はトンネル障壁８Ｃを介して、フリー層１２Ｃに吸収される。このときフリー層１２Ｃとピンド層１２Ｂの磁化の向きの相対角度によって、フリー層１２Ｃの電位が変動し、半導体層（チャンネル層）７とフリー層１２Ｃとの間に電圧変化が発生する。
【００２７】
フリー層１２Ｃの磁化の向きは、これに近接する配線を流れる電流に伴って発生する外部磁界などによって、変化させることができる。もちろん、フリー層１２Ｃの磁化の向きは、これにスピン注入磁化反転臨界値以上のスピン注入を行うことによっても制御することができる。いずれにしても、この配線に電流を流すことによって、フリー層１２Ｃの磁化の向きを変化させることができ、この状態は１つの情報として保持することができる。すなわち、フリー層１２Ｃと電極１２Ｄ（チャンネル層７）との間の電圧を、電圧計８０によって測定すると、フリー層１２Ｃに与えられた磁界の大きさを検出する、或いは、フリー層１２Ｃに書き込まれた磁界の向きの情報を読み出すことができる。これはメモリ機能を有している。
【００２８】
図２は、トンネル障壁（ＭｇＯ層）８の近傍領域の拡大図である。
【００２９】
上述のように、ピンド層１２Ｂ（ピンド層１２Ｃ）の直下には、ＭｇＯからなるトンネル障壁８が介在している。このスピン注入構造は、Ｓｉからなるチャンネル層７と、チャンネル層７上に形成された強磁性体からなるピンド層１２Ｂ（フリー層１２Ｃ）と、チャンネル層７とピンド層１２Ｂ（フリー層１２Ｃ）との間に介在するトンネル障壁８とを備えており、トンネル障壁８は、チャンネル層７側の領域に位置する非晶質ＭｇＯ層８Ｌと、ピンド層１２Ｂ（フリー層１２Ｃ）側の領域に位置する結晶質ＭｇＯ層８Ｕとを有している。非晶質ＭｇＯ層８Ｌと、単結晶ＭｇＯ層８Ｕとの間には、これらの間の結晶性を有する中間ＭｇＯ層８Ｍが介在している。なお、ＭｇＯ層８Ｌ，８Ｍ，８Ｕは、等しい厚みに描かれているが、これは異なることとしてもよく、また、実際には、これらの結晶状態は強磁性層に近づくほど徐々に改善している。
【００３０】
この構造の場合、ＭｇＯ層８Ｌの領域は、非晶質のＭｇＯ層であるために良好なスピン注入効率を実現できないが、ＭｇＯ層８Ｍ及び８Ｕの領域の結晶質ＭｇＯ層では、磁性層と結晶軸の向きを揃えることができ、磁性層からチャンネル層へのスピンの注入効率を高くすることができる。よって、従来の非晶質ＭｇＯ層だけのトンネル障壁の場合よりもピンド層側の領域に位置する結晶質ＭｇＯ層を有する場合の方がスピンの注入効率を高くすることができる。
【００３１】
トンネル障壁８の厚みは、０．８ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが好ましい。トンネル障壁８の厚みは、１．０ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが更に好ましい。これは、ＭｇＯの厚みが上記下限値未満である場合には、結晶質のＭｇＯを形成しにくく、上限値を超える場合には、キャリアのトンネルが生じにくいためである。
【００３２】
トンネル障壁８（第１トンネル障壁８Ｂ及び第２トンネル障壁８Ｃ:（図１））の非晶質ＭｇＯ層８Ｌ（図２）の厚みは、それぞれ０．６ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが好ましい。これらの厚みは、それぞれ１．４ｎｍ以下であることが更に好ましい。これは非晶質ＭｇＯ層の厚みが上記下限未満であると、トンネル電流を形成できる膜とならないためであり、格子不整合の解消層としての役割を十分果たせなくなるためである。また、これは非晶質ＭｇＯ層８Ｌの厚みが上記上限を超える場合には、スピンを偏極して注入する効率が良くなるよりも、素子の抵抗が高くなりすぎてデバイスとして機能させることが困難になる問題の方が効果としてより大きくなるためである。具体的には高抵抗に伴う信号ノイズの増大及び回路上の駆動電圧・電流に制限があるためである。
【００３３】
第１及び第２結晶質ＭｇＯ層８Ｕの厚みは、それぞれ０．６ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが好ましい。また、第１及び第２結晶質ＭｇＯ層８Ｕの厚みは、それぞれ０．２ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが更に好ましい。これは、上限値（３ｎｍ）を超える場合には、スピンを偏極して注入する効率が良くなるよりも、素子の抵抗が高くなりすぎてデバイスとして機能させることが困難になる問題の方が効果としてより大きくなるためである。具体的には高抵抗に伴う信号ノイズの増大及び回路上の駆動電圧・電流に制限があるためである。下限値を下回る場合には非晶質ＭｇＯ層８Ｌ上のＭｇＯ層８Ｕが結晶質にならないためである。
【００３４】
また、チャンネル層７中の不純物濃度は、１×１０１６〜１×１０２２／ｃｍ３であることが好ましい。この場合には、チャンネル層７は完全に金属的な性質を示さず、半導体的な性質を保ち、チャンネル層７が金属である場合よりもスピン拡散長が長いなどの性質を保持できるという効果がある。なぜなら、電子濃度が高くなると電子自体のスピン伝導の散乱確率が高くなり、スピン伝導を阻害するからである。また、この不純物が、Ｎ型となることが好ましい。この場合には、ホールよりも電子の方がスピン伝導しやすいという効果がある。なぜなら、N型の場合はs電子であるため角運動量を持たず、スピンが散乱されにくいためにスピン寿命が長いからである。Ｎ型の不純物としては、５族元素（ＰやＡｓなど）が知られている。
【００３５】
なお、これらのＭｇＯの厚みの和が小さい場合、結晶質ＭｇＯの厚みは変動している。なぜならば、結晶質ＭｇＯは二次元平面内で島状に成長するからであり、この島状に成長を始めたＭｇＯの厚みが結晶質ＭｇＯの厚みである。しかしながら、ＭｇＯ層上にｂｃｃ構造のピンド層又はフリー層（強磁性体）がエピタキシャル成長した場合、ＭｇＯ層は結晶質になっているとみなすことが出来るため、その膜厚は、ＴＥＭによる断面観察によって確認することができる。また、ＭｇＯ膜厚に対するｂｃｃ構造のピンド層又はフリー層のエピタキシャル成長の結晶性を、結晶格子の回折パターンから判断することができる。
【００３６】
チャンネル層のＭｇＯに接する界面の前処理により、比較的ＭｇＯ層が薄くても結晶質ＭｇＯ層を形成できる。すなわち、ＭｇＯ層からなるトンネル障壁を形成する前処理として、フッ化水素水溶液、塩酸、硫酸、硝酸などの酸性の薬剤およびそれらに過酸化水素を加えた薬剤、さらにアルカリ性の薬剤を用いることにより、チャネル層とするＳｉ表面から酸化被膜などを除去することができる。この前処理によりＳｉ表面は清浄面となり、比較的ＭｇＯ層が薄くても結晶質のＭｇＯ層を形成することができる。
【００３７】
なお、ピンド層１２Ｂ（フリー層１２Ｃ）は、単結晶ＭｇＯ層８Ｕ上にエピタキシャル成長した、体心立方格子（ｂｃｃ）構造の強磁性体からなる。単結晶のＭｇＯ層８Ｕ上には、ｂｃｃ構造の強磁性体（ピンド層１２Ｂ，フリー層１２Ｃ）が容易にエピタキシャル成長（結晶軸を共通として成長）し、これらの界面の結晶性が良好な秩序を有するため、スピンの流れに対する阻害要因が減少する。
【００３８】
次に、スピン伝導デバイスの平面構造について説明する。
【００３９】
図３は、スピン伝導デバイスの平面図（ａ）、主要な領域Ｂの拡大図（ｂ）である。なお、図１は、図３におけるＩ−Ｉ矢印断面を示している。
【００４０】
図３（ａ）に示すように、Ｓｉチャンネル層７は、Ｙ軸方向を長軸とした直方体形状を有している。図３（ｂ）に示すように、配線１８Ｂの下には、ピンド１２Ｂが設けられている。また、配線１８Ｃの下には、フリー層１２Ｃが設けられている。ピンド層１２Ｂ及びフリー層１２Ｃは、それぞれＸ軸方向を長軸とした直方体形状を有している。Ｙ軸方向における幅が、ピンド層１２Ｂよりもフリー層１２Ｃの方が大きい。ピンド層１２Ｂ及びフリー層１２Ｃは、Ｘ軸方向とＹ軸方向のアスペクト比の違いによって、反転磁場の差が付けられている。このように、ピンド層１２Ｂ及びフリー層１２Ｃには、形状異方性によって保磁力差が付けられており、ピンド層１２Ｂは、フリー層１２Ｃよりも保磁力が大きい。
【００４１】
ピンド層１２Ｂ及びフリー層１２Ｃの材料は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群から選択される金属、前記群の元素を１以上含む合金、又は、前記群から選択される１以上の元素及びＢ、Ｃ、及びＮからなる群から選択される１以上の元素を含む合金である。また、ピンド層１２Ｂ及びフリー層１２Ｃは、当該金属や合金の積層体でも良い。例えば、ピンド層１２Ｂまたはフリー層１２Ｃとして、Ｆｅ及びＴｉの積層膜を用いる。
【００４２】
トンネル障壁８は絶縁性材料からなり、ＭｇＯが用いられる。配線１８Ａ、１８Ｂ，１８Ｃ、１８Ｄは、Ｃｕなどの導電性材料からなる。なお、電極パッドＥ１、Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４は、Ａｕなどの導電性材料からなる。配線１８Ａ、１８Ｂ，１８Ｃ、１８Ｄは、それぞれ、電極１２Ａ，ピンド層１２Ｂ、フリー層１２Ｃ、電極１２Ｄ上に形成されたものである。電極パッドＥ１、Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４は、それぞれ配線１８Ｂ、１８Ｃ，１８Ａ、１８Ｄに電気的に接続されたものである。上記電子の供給は、電極パッドＥ１とＥ３との間に電源７０（図１参照）接続することにより行われ、上記電圧の検出は、電極パッドＥ２とＥ４との間に電圧計８０（図１参照）を接続することにより行われる。
【００４３】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、ＭｇＯ層近傍の透過型電子顕微鏡の写真を示す図である。
【００４４】
図４（ａ）ではＳｉ層上に、ＭｇＯ層及びＦｅ層（強磁性層）が順次堆積されている。Ｓｉ層、ＭｇＯ層、Ｆｅ層の厚みは、それぞれ、１００ｎｍ、０．８ｎｍ、１０ｎｍである。なお、Ｆｅ層上には、測定における試料の研磨の際に素子を保護するＴａ保護膜が堆積されている。ＭｇＯ層のＳｉ層側は非晶質である一方で、ＭｇＯ層のＦｅ層側は、結晶化していることが分かる。また、Ｆｅ層はＭｇＯ層と接する界面から結晶質になっており、これはＭｇＯ層のＦｅ側が結晶質になっていることを示している。
【００４５】
図４（ｂ）ではＳｉ層上に、ＭｇＯ層及びＦｅ層（強磁性層）が順次堆積されている。図４（ｂ）は、ＭｇＯ層の状態が明瞭に観測できるようにするため、実際に使用できる素子のＭｇＯ膜厚の上限３ｎｍよりも厚く成膜した試料の図である。Ｓｉ層、ＭｇＯ層、Ｆｅ層の厚みは、それぞれ、１００ｎｍ、５ｎｍ、２０ｎｍである。ＭｇＯ層のＳｉ層側は非晶質であるが、およそ０．８ｎｍの非晶質ＭｇＯの上には結晶質のＭｇＯ層が明確に確認できる。
【００４６】
図５は、スピン伝導デバイスにおける磁界（Ｏｅ）と電圧（Ｖ）の関係を示すグラフである。
【００４７】
フリー層１２Ｃ（図３参照）に印加される磁界の向きはＸ軸方向、ピンド層１２Ｂ（図３参照）の磁化の向きはＸ軸方向である。
【００４８】
実線は、負方向の磁界が与えられている場合に、フリー層１２Ｃとピンド層１２Ｂの磁化の向きが等しく、−Ｘ軸方向を向いており、磁界の大きさを正方向に徐々に大きくし、＋Ｘ軸方向の磁界が与えられた場合に（例：１００（Ｏｅ）以上）、フリー層１２Ｃの磁界が反転し、＋Ｘ軸方向を向き、更に正方向に大きな磁界を与えた場合には、ピンド層１２Ｂの磁化の向きが反転して＋Ｘ軸方向を向いた場合を示す。
【００４９】
点線は、正方向の磁界が与えられている場合に、フリー層１２Ｃとピンド層１２Ｂの磁化の向きが等しく、＋Ｘ軸方向を向いており、磁界の大きさを負方向に徐々に大きくし、−Ｘ軸方向の磁界が与えられた場合に（例；−１００（Ｏｅ）以下）、フリー層１２Ｃの磁界が反転し、−Ｘ軸方向を向き、更に負方向に大きな磁界を与えた場合には、ピンド層１２Ｂの磁化の向きも反転して−Ｘ軸方向を向いた場合を示す。
【００５０】
ピンド層１２Ｂから注入されチャンネル層７内を拡散・伝導するスピン流は、フリー層１２Ｃに吸収され、出力電圧を生じる。フリー層１２Ｃの磁化の向きが、ピンド層１２Ｂの磁化の向きと反平行となる場合、電圧計８０（図１参照）で測定される、電圧（Ｖ）の絶対値は、３×１０−７（Ｖ）を超える。なお、電圧計８０は、磁化の向きが反平行の場合に負電圧が計測されるように接続されている。フリー層１２Ｃの磁化の向きが、ピンド層１２Ｂの磁化の向きと平行の場合には電圧（Ｖ）はゼロに近い値となる。このように、Ｓｉスピン伝導素子では、電圧出力特性が良好なものとなっている。
【００５１】
次に、上述のスピン伝導デバイスの製造方法について説明する。なお、以下の説明では、基本構造の明確化のため、スピン伝導デバイスの平面形状を上述のものよりも簡略化した場合を示す。
【００５２】
図６は、ＳＯＩ基板の斜視図である。
【００５３】
まず、図６に示すような、Ｓｉからなる半導体基板１、Ｓｉ酸化膜からなる絶縁層２、及び、表面が（１００）面であるＳｉからなるチャンネル層３が、この順に形成されたＳＯＩ基板Ｓを準備する。
【００５４】
半導体層３に導電性を付与するためのイオンを注入し、その後、アニールを行ってイオンを拡散させる。例えば、導電性を付与するためのイオンとしてＢやＰが挙げられる。また、アニール温度は、例えば９００℃とすることができる。
【００５５】
次いで、洗浄により、ＳＯＩ基板Ｓの表面の付着物、有機物、及び酸化膜の除去をする。洗浄液として、例えば、アセトン、イソプロピルアルコール及びＨＦ（水溶液）を用いることができる。
【００５６】
図７は、スピン伝導デバイス中間体の斜視図である。
【００５７】
ＳＯＩ基板Ｓの洗浄後、図７に示すように、ＳＯＩ基板Ｓの半導体層３上に、絶縁層４及び強磁性層５を成膜する。絶縁層４及び強磁性層５は、例えば、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法などにより成膜する。さらに、洗浄により、強磁性層５の表面の付着物、有機物、及び酸化膜の除去をする。洗浄液として、例えば、アセトン、イソプロピルアルコールを用いることができる。
【００５８】
強磁性層５の洗浄後、図７に示すように、強磁性層５上にアライメントパターンＰを作製する。アライメントパターンＰの作製は、フォトリソグラフィー法により行う。例えば、アライメントパターンＰとして１００ｎｍのＴａ膜を用いる。
【００５９】
図８は、Ｓｉ膜をパターニングする際に用いるマスクの上面図である。
【００６０】
続いて、強磁性層５の上に保護膜のためのＴａを３ｎｍ成膜する。さらに、フォトリソグラフィー法により、Ｔａ上にマスクを形成する。図８（ａ）及び図８（ｂ）にマスクの形状の一例を示す。図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、主要部２０と、主要部２０から突出した角部２１，２２とを有するようなマスクＭ１又はＭ２を用いる。この際、角部２１，２２が主要部２０の面積よりも小さな面積を有するようなマスクを用いると良い。また、主要部２０が長方形の場合、突出した角部２１，２２は、長方形の四隅に配置される。
【００６１】
図８（ａ）のように、マスクＭ１の角部２１は、マスクＭ１の主要部２０と重なる範囲を含めて、正方形でも良い。また、図８（ｂ）のように、マスクＭ２の角部２２は、マスクＭ２の主要部２０と重なる範囲を含めて、円形でも良い。この他にも、マスクの角部は、マスクの主要部と重なる範囲を含めて、例えば、長方形や三角形であっても良い。なお、角部を有さないマスクを用いても実施は可能である。
【００６２】
図９は、スピン伝導デバイス中間体の斜視図である。
【００６３】
上記のようなマスクＭ１，Ｍ２を用いて、絶縁層４、強磁性層５、Ｔａ層をイオンミリングによりパターニングして、絶縁層８、強磁性層９、及びＴａ層をマスクの直下に残留させる。これら絶縁層８、強磁性層９、Ｔａ膜、及びレジストをマスクとして、半導体層３をウェットエッチングによりパターニングして、図９に示すようなＳｉチャンネル層７を得る（第一工程）。ウェットエッチングとして、異方性ウェットエッチングを用いることができる。エッチング液として、例えば水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液（ＴＭＡＨ）や水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）を用いる。なお、ウェットエッチング後に、レジストは除去される。また、ウェットエッチング後に、Ｔａ膜は除去されるか後述する配線と一体化する。
【００６４】
なお、図８に示したように、主要部２０から突出した角部２１，２２を有するマスクＭ１，Ｍ２を用いることにより、所望の形状のＳｉチャンネル層７を得ることができる。異方性ウェットエッチングを用いた場合、Ｓｉチャンネル層７の側面には、傾斜部が形成される。異方性ウェットエッチングを用いた場合、傾斜面は（１１１）面となり、半導体基板１の表面に対しておよそ５５度の角度となる。図９では、主要部が矩形状のマスクを用いた場合を示しており、Ｙ方向が長軸方向となる矩形状のＳｉチャンネル層７が形成される。
【００６５】
図１０は、スピン伝導デバイス中間体の斜視図である。
【００６６】
上記状態において、Ｓｉチャンネル層７の傾斜部は、外気に対して露出しているため、Ｓｉチャンネル層７の側面は自然酸化され、図１０に示すように、酸化膜７ａが形成される。あるいは、Ｓｉチャンネル層７の側面に酸化膜７ａを酸素アニールにより成膜してもよい。次に、Ｔａ及び強磁性層９表面の酸化膜をイオンミリングで除去した後、強磁性層９をエッチングによりパターニングする。
【００６７】
図１１は、スピン伝導デバイス中間体の斜視図である。
【００６８】
上記エッチングにより、図１１に示すようなピンド１２Ｂ、フリー層１２Ｃ、を形成する。この際、ピンド層１２Ｂ、フリー層１２Ｃは、絶縁層（トンネル障壁層）８上において、長軸方向すなわちＹ軸方向に並んで配置するように形成する。
【００６９】
また、絶縁層８の一部分もエッチングしておき、露出したＳｉチャンネル層７上に、ピンド層側電極１２Ａ、フリー層側電極１２Ｄを形成する。このピンド層側電極１２Ａ、フリー層側電極１２ＤはＳｉに対して低抵抗な非磁性金属であり、例えばＡｌによる電極が形成される。
【００７０】
以上のようにして、Ｓｉチャンネル層７上に、互いに離間された磁化自由層１２Ｃ及び磁化固定層１２Ｂを形成する（第二工程）。この際、Ｙ軸方向における幅が、ピンド層１２Ｂよりもフリー層１２Ｃの方が大きくなるように形成する。このようなパターニングは、例えば、イオンミリング及び化学的なエッチングによって、絶縁層８及び強磁性層９の不要な部分を除去することにより行われる。
【００７１】
図１２は、スピン伝導デバイス中間体の斜視図である。
【００７２】
次に、図１２に示すように、ピンド層側電極１２Ａ、ピンド層１２Ｂ、フリー層１２Ｃ、及びフリー層側電極１２Ｄの上面以外に、例えば、スパッタリング等により、好ましくはＳｉ酸化膜などの酸化膜７ｂを形成する。すなわち、酸化膜７ａ、絶縁層８、ピンド層側電極１２Ａ、ピンド層１２Ｂ、フリー層１２Ｃ、及びフリー層側電極１２Ｄの側面に、酸化膜７ｂを形成する。
【００７３】
図１３は、スピン伝導デバイス中間体の斜視図（ａ）、図１３（ａ）のｂ−ｂ線に沿った中間体の断面図（ｂ）である。図１３（ｂ）の構造は、要素１２Ｂ及び配線１８Ｂを含む位置の断面であるが、要素１２Ｂ及び配線１８Ｂを、要素１２Ａ及び１８Ａ、１２Ｃ及び１８Ｃ、又は、１２Ｄ及び１８Ｄに置き換えた場合には、図１３（ｂ）は、各要素を通る断面に読み替えることができる。なお、要素１２Ａ又は１２Ｄを含む断面の場合には、絶縁層８は省略される。
【００７４】
図１３（ａ）に示すように、ピンド層側電極１２Ａ上及びＳｉチャンネル層７の傾斜した側面上に、配線１８Ａを形成する。ピンド層１２Ｂ上及びＳｉチャンネル層７の傾斜した側面上に、配線１８Ｂを形成する。フリー層１２Ｃ上及びＳｉチャンネル層７の傾斜した側面上に、配線１８Ｃを形成する。フリー層側電極１２Ｄ上及びＳｉチャンネル層７の傾斜した側面上に、配線１８Ｄを形成する。配線１８Ａ〜１８Ｄは、例えばフォトリソグラフィー法により形成することができる。
【００７５】
この酸化膜７ｂにより、Ｓｉチャンネル層７のスピンが配線に吸収されることを抑制できる。なお、通常、半導体よりも導体である配線は、スピン拡散長が短く、Ｓｉチャンネル層７に直接接触すると、スピンが吸収されてしまう。また、本来強磁性層であるピンド層１２ＢからＳｉチャンネル層７へスピンを注入するはずが、導体である配線からＳｉチャンネル層７へ電流が流れると、スピン注入効率が著しく悪くなるが、本例では、かかる問題は解決されている。
【００７６】
図１４は、スピン伝導デバイス中間体の斜視図である。
【００７７】
続いて、図１４に示すように、配線１８Ａ〜１８Ｄのそれぞれの端部に、測定用の電極パッドＥ１〜Ｅ４を形成する。なお、配線１８Ａ〜１８Ｄの端部及び測定用の電極パッドＥ１〜Ｅ４は、ウェットエッチングによって露出されたＳｉ酸化層２及び酸化膜７ｂ上に形成する。最後にダイシングを行い、個々の素子にチップ化することにより、所望のＳｉスピン伝導デバイスを得る。
【００７８】
図１５は、スピン伝導素子の斜視図（ａ）、図１５（ａ）におけるチャンネル層のＸＺ断面（ｂ）である。図１５（ｂ）の構造は、要素１２Ｂ及び配線１８Ｂを含む位置の断面であるが、要素１２Ｂ及び配線１８Ａを、要素１２Ａ及び１８Ａ、１２Ｃ及び１８Ｃ、又は、１２Ｄ及び１８Ｄに置き換えた場合には、図１５（ｂ）は、各要素を通る断面に読み替えることができる。なお、要素１２Ａ又は１２Ｄを含む断面の場合には、絶縁層８は省略される。
【００７９】
図１５（ａ）に示すように、Ｓｉスピン伝導素子１０は、半導体基板１上に設けられたＳｉ酸化層２と、Ｓｉ酸化層２上に設けられたＳｉチャンネル層７と、Ｓｉチャンネル層７の第一の部分上に設けられたフリー層１２Ｃと、Ｓｉチャンネル層７の第一の部分とは異なる第二の部分上に設けられたピンド層１２Ｂとを備えている。Ｓｉチャンネル層７はウェットエッチングにより形成されたものである。
【００８０】
さらに、Ｓｉスピン伝導デバイス１０は、Ｓｉチャンネル層７上の第三の部分上に設けられたピンド層側電極１２Ａと、Ｓｉチャンネル層７上の第四の部分上に設けられたフリー層側電極１２Ｄとを備えている。また、Ｓｉチャンネル層７と、ピンド層１２Ｂ、フリー層１２Ｃとの間には、絶縁層（トンネル障壁層）８が設けられている。また、ピンド側電極１２Ａ及びフリー層側電極１２Ｄとして、ＡｌなどのＳｉに対して低抵抗な非磁性金属を用いている。
【００８１】
図１５（ｂ）に示すように、Ｓｉチャンネル層７は、側面に傾斜部を有しており、その傾斜角度θは、５０度〜６０度である。ここで、傾斜角度θとは、Ｓｉチャンネル層７の底部と側面のなす角度（内角）である。
【００８２】
図１５（ａ）に示すように、ピンド層側電極１２Ａ上及びＳｉチャンネル層７の傾斜した側面上に、配線１８Ａが設けられている。ピンド層１２Ｂ上及びＳｉチャンネル層７の傾斜した側面上に、配線１８Ｂが設けられている。フリー層１２Ｃ上及びＳｉチャンネル層７の傾斜した側面上に、配線１８Ｃが設けられている。フリー層側電極１２Ｄ上及びＳｉチャンネル層７の傾斜した側面上に、配線１８Ｄが設けられている。配線１８Ａ〜１８Ｄのそれぞれの端部には、測定用の電極パッドＥ３，Ｅ１，Ｅ２，Ｅ４が設けられている。なお、配線１８Ａ〜１８Ｄの端部及び測定用の電極パッドＥ１〜Ｅ４は、Ｓｉ酸化膜２上に形成されている。
【００８３】
以上のようにして、Ｓｉスピン伝導素子１０を得ることができる。得られたＳｉスピン伝導素子１０において、図１５（ａ）に示すように、電極パッドＥ１及びＥ３を電流源７０に接続することにより、ピンド層１２Ｂにスピン注入用電流を流すことができる。強磁性体であるピンド層１２Ｂから非磁性のＳｉチャンネル層７へスピン注入用電流が流れることにより、ピンド層１２Ｂの磁化の向きに対応するスピンがＳｉチャンネル層７へ注入される。注入されたスピンはフリー層１２Ｃ側へ拡散していく。
【００８４】
このように、Ｓｉチャンネル層７に流れる電流及びスピン流が、主にＹ方向に流れる構造とすることができる。そして、外部からの磁界によって変化されるフリー層１２Ｃの磁化の向き、すなわち電子のスピンと、Ｓｉチャンネル層７のフリー層１２Ｃと接する部分の電子のスピンとの相互作用により、Ｓｉチャンネル層７とフリー層１２Ｃの界面において電圧出力が発生する。この電圧出力は、電極パッドＥ２及びＥ４に接続した電圧計８０により検出することができる。
【００８５】
本発明のＳｉスピン伝導デバイス１０によれば、Ｓｉ膜をウェットエッチングによりパターニングするため、Ｓｉチャンネル層に対する物理的なダメージが少なく、Ｓｉチャンネル層の結晶構造を高いままに維持できるものと考えられる。これにより、スピンの散乱が抑制され、高い電圧出力が可能となるものと考えられる。
【００８６】
なお、図５のグラフが得られた具体的な製造方法は、以下の通りである。
【００８７】
まず、Ｓｉ基板、Ｓｉ酸化膜（厚さ２００ｎｍ）、及びＳｉ膜（厚さ１００ｎｍ）からなるＳＯＩ基板を準備した。次に、Ｓｉ膜に導電性を付与するためのイオンを注入し、その後、アニールを行ってイオンを拡散させた。アニール温度は、９００℃である。その後、洗浄により、ＳＯＩ基板のＳｉ膜の表面の付着物、有機物、及び酸化膜の除去をした。洗浄液として、ＨＦを用いた。
【００８８】
続いて、Ｓｉ膜上に、ＭｇＯ膜（厚さ０．８ｎｍ）、Ｆｅ膜（厚さ１０ｎｍ）、Ｔｉ膜（厚さ５ｎｍ）、及びＴａ膜（厚さ３ｎｍ）の積層体を形成した。その後、Ｔａ膜の表面をアセトンおよびイソプロピルアルコールで洗浄した。次いで、異方性ウェットエッチングにより、側面に傾斜部を有するＳｉチャンネル層を得た。この際、Ｓｉチャンネル層のサイズは、２３μｍ×３００μｍとした。得られたＳｉチャンネル層の側面の傾斜部の傾斜角度θは５５度であった。エッチング液には、ＴＭＡＨを用いた。
【００８９】
その後、イオンミリング法及び化学的なエッチングによりパターニングして、Ｆｅ層及びＴｉ層の積層体からなるピンド層、フリー層、をそれぞれ得た。また、Ｓｉチャンネル層上にＳｉに対して低抵抗な非磁性金属から成るピンド層側電極、フリー層側電極を得た。
【００９０】
次に、ピンド側電極、ピンド層、フリー層、及びフリー層側電極上に配線をそれぞれ形成した。配線として、Ｔａ（厚さ１０ｎｍ）、Ｃｕ（厚さ５０ｎｍ）、及びＴａ（厚さ１０ｎｍ）の積層構造を用いた。さらに、各配線の端部にそれぞれ電極パッドを形成した。電極パッドとして、Ｃｒ（厚さ５０ｎｍ）とＡｕ（厚さ１５０ｎｍ）の積層構造を用いた。こうして、スピン伝導素子１０を得た。
【００９１】
この素子は、図５に示す如く、良好な特性を有しており、磁化反転によって、大きな出力電圧が得られるものであった。
【００９２】
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。上記実施形態では、第一工程において、半導体層３上に設けられた絶縁層４及び強磁性層５をイオンミリングによりパターニングした後に、半導体層３をウェットエッチングによりパターニングする例を示した。しかしながら、半導体層３上に絶縁層４及び強磁性層５を形成する前に、半導体層３のみをウェットエッチングによりパターニングしても良い。そして、パターニングされたＳｉ層上に、後から絶縁層及び強磁性層を形成し、これらをパターニングしてもよい。
【００９３】
また、Ｓｉチャンネル層７上において、ピンド層１２Ｂ及びフリー層１２Ｃとの間に、電極を更に備えていても良い。これにより、当該電極から電場あるいは磁場をピンド層１２Ｂ及びフリー層１２Ｃの間を流れるスピン流または電流に印加することができる。これにより、スピンの偏極方向を調節することが可能となる。
【００９４】
また、ピンド層１２Ｂ上に反強磁性層を更に備えても良い。反強磁性層は、磁化固定層１２Ｂの磁化の向きを固定するものとして機能する。反強磁性層が磁化固定層と交換結合することにより、磁化固定層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、反強磁性層を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する磁化固定層が得られる。
【００９５】
反強磁性層に用いられる材料は、磁化固定層に用いられる材料に合わせて選択される。例えば、反強磁性層として、Ｍｎを用いた反強磁性を示す合金、具体的にはＭｎと、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｆｅ，Ｒｕ，Ｃｒ，Ｐｄ，及びＮｉのうちから選ばれる少なくとも一つの元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、例えば、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎが挙げられる。
【００９６】
また、上記ピンド層とフリー層の構造を同時に備えたスピン伝導デバイスは、チャンネル層へのスピン注入効率とフリー層へのスピン注入効率が高くなるため、高精度の磁場検出や、磁場等による磁化の向きの変化を利用した高精度のメモリに適用することができる。また、このようなスピン伝導デバイスを用いた磁気センサ、メモリ、又はハードヂィスク読み取り装置は、高精度となる。また、上記スピン伝導デバイスは、スピントランジスタやロジック回路にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明は、半導体へのスピン注入構造に用いることができ、これを用いたスピン伝導デバイスに利用出来る。
【符号の説明】
【００９８】
１…Ｓｉ基板、２…Ｓｉ酸化膜、３…Ｓｉ膜、４…絶縁膜、５…強磁性膜、７…Ｓｉチャンネル層、８…絶縁層、９…強磁性層、１２Ａ…磁化固定層側電極、１２Ｂ…磁化固定層、１２Ｃ…磁化自由層、１２Ｄ…磁化自由層側電極、１８Ａ〜１８Ｄ…配線、Ｓ…ＳＯＩ基板、Ｅ１〜Ｅ４…電極パッド、Ｐ…アライメントパターン、Ｍ１，Ｍ２…マスク、２０…主要部、２１，２２…角部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉからなるチャンネル層と、
前記チャンネル層上に形成された強磁性体からなる磁化固定層と、
前記チャンネル層と前記磁化固定層との間に介在する第１トンネル障壁と、を備え、
前記第１トンネル障壁は、
前記チャンネル層側の領域に位置する第１非晶質ＭｇＯ層と、
前記磁化固定層側の領域に位置する第１結晶質ＭｇＯ層と、
を有することを特徴とするスピン注入構造。
【請求項２】
前記チャンネル層中の不純物濃度が、１×１０１６〜１×１０２２／ｃｍ３であることを特徴とする請求項１に記載のスピン注入構造。
【請求項３】
前記不純物が、Ｎ型となることを特徴とする請求項２に記載のスピン注入構造。
【請求項４】
前記チャンネル層上に形成された磁化自由層と、
前記チャンネル層と前記磁化自由層との間に介在する第２トンネル障壁と、
を備え、
前記第２トンネル障壁は、
前記チャンネル層側の領域に位置する第２非晶質ＭｇＯ層と、
前記磁化自由層側の領域に位置する第２結晶質ＭｇＯ層と、
を有することを特徴とする、請求項１に記載のスピン注入構造。
【請求項５】
前記磁化固定層は、前記第１単結晶ＭｇＯ層上にエピタキシャル成長した、体心立方格子構造の強磁性体を有することを特徴とする、請求項１に記載のスピン注入構造。
【請求項６】
前記磁化自由層は、前記第２単結晶ＭｇＯ層上にエピタキシャル成長した、体心立方格子構造の強磁性体を有することを特徴とする、請求項４に記載のスピン注入構造。
【請求項７】
前記第１トンネル障壁の厚みは、０．８ｎｍ以上３ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のスピン注入構造。
【請求項８】
前記第１非晶質ＭｇＯ層の厚みは、０．６ｎｍ以上３ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項７に記載のスピン注入構造。
【請求項９】
前記第２トンネル障壁の厚みは、０．８ｎｍ以上３ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項４に記載のスピン注入構造。
【請求項１０】
前記第２非晶質ＭｇＯ層の厚みは、０．６ｎｍ以上３ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項９に記載のスピン注入構造。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のスピン注入構造を備えたスピン伝導デバイス。
【請求項１】
Ｓｉからなるチャンネル層と、
前記チャンネル層上に形成された強磁性体からなる磁化固定層と、
前記チャンネル層と前記磁化固定層との間に介在する第１トンネル障壁と、を備え、
前記第１トンネル障壁は、
前記チャンネル層側の領域に位置する第１非晶質ＭｇＯ層と、
前記磁化固定層側の領域に位置する第１結晶質ＭｇＯ層と、
を有することを特徴とするスピン注入構造。
【請求項２】
前記チャンネル層中の不純物濃度が、１×１０１６〜１×１０２２／ｃｍ３であることを特徴とする請求項１に記載のスピン注入構造。
【請求項３】
前記不純物が、Ｎ型となることを特徴とする請求項２に記載のスピン注入構造。
【請求項４】
前記チャンネル層上に形成された磁化自由層と、
前記チャンネル層と前記磁化自由層との間に介在する第２トンネル障壁と、
を備え、
前記第２トンネル障壁は、
前記チャンネル層側の領域に位置する第２非晶質ＭｇＯ層と、
前記磁化自由層側の領域に位置する第２結晶質ＭｇＯ層と、
を有することを特徴とする、請求項１に記載のスピン注入構造。
【請求項５】
前記磁化固定層は、前記第１単結晶ＭｇＯ層上にエピタキシャル成長した、体心立方格子構造の強磁性体を有することを特徴とする、請求項１に記載のスピン注入構造。
【請求項６】
前記磁化自由層は、前記第２単結晶ＭｇＯ層上にエピタキシャル成長した、体心立方格子構造の強磁性体を有することを特徴とする、請求項４に記載のスピン注入構造。
【請求項７】
前記第１トンネル障壁の厚みは、０．８ｎｍ以上３ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のスピン注入構造。
【請求項８】
前記第１非晶質ＭｇＯ層の厚みは、０．６ｎｍ以上３ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項７に記載のスピン注入構造。
【請求項９】
前記第２トンネル障壁の厚みは、０．８ｎｍ以上３ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項４に記載のスピン注入構造。
【請求項１０】
前記第２非晶質ＭｇＯ層の厚みは、０．６ｎｍ以上３ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項９に記載のスピン注入構造。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のスピン注入構造を備えたスピン伝導デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図４】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−２３９０１１（Ｐ２０１０−２３９０１１Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８６９２０（Ｐ２００９−８６９２０）
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【出願人】（５９１１０８１７８）秋田県 (126)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【出願人】（５９１１０８１７８）秋田県 (126)
【Ｆターム（参考）】
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