スピン素子及びこれを用いた磁気センサ及びスピンＦＥＴ
【課題】 分極率を向上可能なスピン素子、及びこれを用いた磁気センサ及びスピンＦＥＴを提供する。
【解決手段】
このスピン素子は、単結晶のＳｉからなる半導体層３と、半導体層３の表面上に形成された第１トンネル絶縁層Ｔ１と、第１トンネル絶縁層Ｔ１上に形成された第１強磁性金属層１とを備えている。半導体層３と第１トンネル絶縁層Ｔ１との間の界面におけるダングリングボンドの面密度が３×１０１４／ｃｍ２以下である。この際の分極率は、著しく向上させることができる。
【解決手段】
このスピン素子は、単結晶のＳｉからなる半導体層３と、半導体層３の表面上に形成された第１トンネル絶縁層Ｔ１と、第１トンネル絶縁層Ｔ１上に形成された第１強磁性金属層１とを備えている。半導体層３と第１トンネル絶縁層Ｔ１との間の界面におけるダングリングボンドの面密度が３×１０１４／ｃｍ２以下である。この際の分極率は、著しく向上させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン素子及びこれを用いた磁気センサ及びスピンＦＥＴに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、強磁性体におけるスピンの機能と、電気伝導における電子の機能を共に利用したスピンエレクトロニクスデバイスの研究開発が盛んに行われている。こうしたデバイスの例として、例えばハードディスクドライブにおける磁気ヘッドやＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）がある。さらに、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）にスピンの機能を付与させるスピンＭＯＳ−ＦＥＴのアイディアが提案され、半導体（シリコン）スピンエレクトロニクスデバイスの研究開発も盛んに行われている。これらスピンエレクトロニクスの基本技術は、金属強磁性体から非磁性物質へのスピン注入の利用である。非磁性物質として金属を用いた、磁気メモリ及び磁気センサも開示されている（特許文献１、特許文献２）。
【０００３】
また、非磁性物質としてＳｉを用いたスピンＭＯＳＦＥＴが開示されている（特許文献３）。スピン注入の効率を上げるため、電極構造としては、強磁性金属/トンネル絶縁膜/非磁性物質が採用され、非磁性物質に注入されたスピンが伝導し（この伝導層はチャネルと称される）、対向して配置された同様な構造の電極で、その磁化の向きに応じた電位の変化から、伝導スピンを検出している。半導体の場合は、トンネル絶縁膜は用いず、界面に形成されるショットキーバリアを擬似トンネル層として用いることも可能である。
【０００４】
デバイスの応用形態は、非局所構造（特許文献１、２）と、局所構造（特許文献３）に分類できる。非局所構造では、固定層を通過した電流はフリー層へは流れないため，固定層とフリー層の間のチャネル領域では電流がゼロであり、有限のスピン流だけが流れるという状況が実現されている。すなわち、アップスピンによる電子流とダウンスピンによる電子流の大きさが等しく、かつ向きが逆で完全な打ち消し合いが起こっている。チャネル領域を拡散してきたスピン流の一部はフリー層磁性体で吸収される。このとき、フリー層と固定層の磁化の相対的な向きによってフリー層の電位が変化するため、それを電圧計で測定することができる。このように、スピン伝導の形態で言えば、非局所構造では電子流ではなくスピン流がスピン情報を運んでいる。スピン流は、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）やジュール熱等に起因するノイズが極めて小さく、良質のスピン情報の伝達に向いている。局所構造は従来の磁気抵抗素子同様に、スピン偏極した電流を担体としてスピン情報が伝導している。
【０００５】
これらスピン注入を応用した全てのデバイスの基本動作に共通するのは、入力としては電子流、情報伝達はスピンの流れ、出力はスピン蓄積電圧、を用いることである。従って、デバイス動作の良否を決定するのは、いかに電流から効率よくスピンの流れを作り出すかであり、注入電子流をｉとし、注入電極からチャネルに入ったときの電流のスピン成分をｉ（ｕｐ）、ｉ（ｄｏｗｎ）したとき、注入電子流をｉ＝（ｉ（ｕｐ）＋ｉ（ｄｏｗｎ））で与えられるが、スピン分極率Ｐをどれだけ高く設定できるかが重要である。スピン分極率Ｐは、以下の式で与えられる。
【０００６】
（式１）
スピン分極率Ｐ＝（ｉ（ｕｐ）−ｉ（ｄｏｗｎ））/ｉ
【０００７】
強磁性体では、電子のスピンの向きによって電流の流れやすさが異なり、上向きスピンの電気伝導度σ（ｕｐ）と下向きスピンの電気伝導度σ（ｄｏｗｎ）が異なる。そのため、強磁性体に流れる電流はスピン偏極しており、その分極率ＰＦは、以下のようになる。
【０００８】
（式２）
強磁性体中のスピン分極率ＰＦ＝（σ（ｕｐ）−σ（ｄｏｗｎ））／σ（ｕｐ）＋σ（ｄｏｗｎ））
【０００９】
従って、電極内部での電子の散乱がなければ、注入された電子流のスピン分極率Ｐは、強磁性体中のスピン分極率ＰＦになることが期待される。また、トンネル膜が単結晶であって、スピンフィルター効果を有する場合は、Ｐ≧ＰＦも理論的にはありえる。
【００１０】
しかしながら、実際の分極率Ｐは、強磁性体中の分極率ＰＦよりもずっと小さくなってしまう。本願発明者らの研究によれば、トンネル膜とＳｉ界面で電子の散乱が起こり、分極率Ｐが減少することが発見された（非特許文献１，２）。非特許文献１によれば、８Ｋでの分極率Ｐは約０．０２であり、温度の上昇に連れ分極率Ｐは低下し、１００Ｋ以上で０．０１以下になる。強磁性体として用いているＦｅのスピン分極率ＰＦはおよそ０．５なので、実際の分極率Ｐは、ＰＦの４％以下に低下している。
【００１１】
界面散乱を低減させるため、Ｓｉ上にトンネル膜と強磁性金属をエピタキシャル成長させることが試みられている。例えばトンネル膜としてＭｇＯ、強磁性金属としてＦｅの成長を試みているが、Ｓｉ界面はアモルファスになっているという結果が報告されている（非特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−１８６２７４号公報
【特許文献２】特開２００７−２９９４６７号公報
【特許文献３】特開２００４−１１１９０４号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｔ．Ｓａｓａｋｉ ｅｔ ａｌ．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ，９６，１２２１０１、２０１０年
【非特許文献２】Ｔ．Ｓａｓａｋｉ ｅｔ ａｌ．ＡＰＥＸ，２，０５３００３、２００９年
【非特許文献３】Ｃ．Ｍａｒｔｉｎｅｚ ｅｔ ａｌ．Ｊ. Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｖｏｌ．９３，２１２６、２００３年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記従来の技術においては、分極率の向上に関する解決策は見出されていない。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、分極率を向上可能なスピン素子、及びこれを用いた磁気センサ及びスピンＦＥＴ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】
【００１５】
トンネル磁気抵抗効果デバイスにおいて、高い分極率を得るには、トンネル絶縁層の材質はアモルファスより単結晶が好ましいと考えられる。したがって、本願発明者らは、Ｓｉからなる半導体層上へのトンネル絶縁層のエピタキシャル成長を試みた。この結果、本願発明者らが鋭意検討を行ったところ、Ｓｉの半導体層とトンネル絶縁層との間に、ダングリングボンド（未結合手）が多数存在しており、このダングリングボンド密度を低減させることで、分極率を著しく向上可能であることを発見した。
【００１６】
すなわち、本発明は、単結晶のＳｉからなる半導体層と、前記半導体層の表面上に形成された結晶質の第１トンネル絶縁層と、前記第１トンネル絶縁層上に形成された第１強磁性金属層と、を備えたスピン素子であって、前記半導体層と前記第１トンネル絶縁層との間の界面におけるダングリングボンドの面密度が３×１０１４／ｃｍ２以下であることを特徴とする。第１強磁性金属層から、第１トンネル絶縁層を介して、半導体層に電子を注入した場合、第１強磁性金属層の磁化の向きに依存したスピンが半導体層内に注入される。この際の分極率は、ダングリングボンドの面密度が上記の場合、著しく向上させることができる。また、この分極率は、半導体層側から、第１トンネル絶縁層を介して、第１強磁性金属層内に、スピンを注入する場合にも同様に向上する。
【００１７】
上記ダングリングボンドの面密度が１×１０１４／ｃｍ２以上である場合には、上述の分極率向上効果を確認することができた。
【００１８】
前記第１トンネル絶縁層はＭｇＯであることが好ましい。半導体層としてＳｉ単結晶を用い、トンネル絶縁層としてＭｇＯを用いた場合には、１０％以上の分極率が得られた。
【００１９】
本発明に係る磁気センサは、上述のスピン素子と、前記半導体層の表面上に形成された第２トンネル絶縁層と、前記第２トンネル絶縁層上に形成された第２強磁性金属層と、前記半導体層上に形成された一対の非磁性金属からなる電極とを備えることを特徴とする。この場合、スピン分極率が高いため、高精度の検出を行うことができる。
【００２０】
本発明に係るスピンＦＥＴは、上述のスピン素子と、前記半導体層の表面上に形成された第２トンネル絶縁層と、前記第２トンネル絶縁層上に形成された第２強磁性金属層と、前記第１及び第２強磁性金属層間における前記半導体層の電位を制御するゲート電極と、を備えることを特徴とする。この場合、スピン分極率が高いため、高精度の動作を行うことができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のスピン素子によれば、分極率を向上させることが可能であるため、これを用いた磁気センサ及びスピンＦＥＴは、高精度の検出又は動作を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】非局所構造のスピン素子の縦断面構成を示す図である。
【図２】図１に示したスピン素子の強磁性金属層１，２の位置におけるＸＺ断面図である。
【図３】強磁性金属層１，２を含む電極構造の詳細を示す図である。
【図４】Ｆｅ／ＭｇＯ／Ｓｉ積層体（比較例）の逆フーリエＴＥＭ像を示す図である。
【図５】Ｆｅ／ＭｇＯ／Ｓｉ積層体（実施例）の逆フーリエＴＥＭ像を示す図である。
【図６】ＥＳＲスペクトル（比較例）を示すグラフである。
【図７】ＥＳＲスペクトル（実施例）を示すグラフである。
【図８】ダングリングボンドの面密度ＤＤ（×１０１４／ｃｍ２）とスピン分極率Ｐの関係を示すグラフである。
【図９】ダングリングボンドの面密度ＤＤ（×１０１４／ｃｍ２）、スピン分極率Ｐ、アニール温度（℃）、室温スピン伝導の有無について示す図表である。
【図１０】スピン素子２０を磁気センサとして含む磁気ヘッドの縦断面構造を示す図である。
【図１１】スピン素子を含むＦＥＴの縦断面構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、実施の形態に係るスピン素子について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２４】
図１は、非局所構造のスピン素子の縦断面構成を示す図である。同図では、ＸＹＺ三次元直交座標系が設定されている。また、図２は、図１に示したスピン素子の強磁性金属層１の位置におけるＸＺ断面図（Ａ）、強磁性金属層２の位置におけるＸＺ断面図（Ｂ）である。
【００２５】
Ｓｉからなる半導体基板１０上に、ＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３などの絶縁層１１を介して、半導体層３が形成されている。すなわち、半導体層３を含む基板は、ＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板であり、半導体層３の厚みが例えば１００ｎｍ以下に設定されている。ＳＯＩ基板を用いた場合、半導体層３を薄くすることができるため、基板の深い位置からの影響を抑制することができるという利点がある。半導体層３は、Ｓｉの単結晶からなり、強磁性金属層１，２や非磁性の電極１Ｍ，２Ｍの形成される表面が｛１００｝となっている。
【００２６】
このスピン素子２０は、単結晶のＳｉからなる半導体層３と、半導体層３の表面上に形成された第１トンネル絶縁層Ｔ１と、第１トンネル絶縁層Ｔ１上に形成された第１強磁性金属層１とを備えている。ここで、半導体層３と第１トンネル絶縁層Ｔ１との間の界面におけるダングリングボンドの面密度は３×１０１４／ｃｍ２以下である。この際、分極率は、著しく向上させることができる。
【００２７】
第１強磁性金属層１と第１電極１Ｍとの間には、電子流源Ｊが接続されている。電子流源Ｊにより、第１強磁性金属層１から、第１トンネル絶縁層Ｔ１を介して、半導体層３に電子を注入した場合、第１強磁性金属層１の磁化の向きに依存したスピンが半導体層内に注入される。この際の分極率は、ダングリングボンドの面密度が上記の場合、著しく向上させることができる。
【００２８】
図１に示すスピン素子２０は、磁気センサとしても機能させることができる。すなわち、この磁気センサは、半導体層３の表面上に形成された第２トンネル絶縁層Ｔ２と、第２トンネル絶縁層Ｔ２上に形成された第２強磁性金属層２とを備えている。半導体層３上には一対の非磁性金属からなる電極１Ｍ、２Ｍが形成されている。この磁気センサは、非局所構造を有しており、電流源Ｊから、第１強磁性金属層１に電子を供給する。第１強磁性金属層１から半導体層３内に注入された電子ｅは、半導体層３内を伝播して、第１電極１Ｍに流れることになる。
【００２９】
一方、第１強磁性金属層１から半導体層３内への注入電子位置から、スピン流Ｓｐが第２強磁性金属層２方向に拡散する。スピン流Ｓｐに応じて、第２強磁性金属層２と第２電極２Ｍとの間に電圧が発生するが、この電圧は、第２強磁性金属層２と第２電極２Ｍとの間に接続された電圧計Ｖによって測定される。スピン流Ｓｐは、半導体層３内に導入される外部磁場に依存して、スピンの向きが回転し、磁場の大きさに依存して、電圧計Ｖによって検出される電圧値が異なることなる。したがって、このスピン素子は、磁気センサとして機能させることができる。
【００３０】
なお、第１強磁性金属層１と第２強磁性金属層２は、共にＹ軸に平行な磁化方向を有している。これらの磁化方向は、固定されており、第１強磁性金属層１と第２強磁性金属層２は磁化固定層として機能しているが、スピンＦＥＴ（電界効果トランジスタ）のように、一方の磁化の向きを固定しないでフリー層として用いる構造も考えられる。
【００３１】
さらに、本発明は、非局所構造のスピン素子ではなく、磁気抵抗効果型のスピン素子に応用することも可能である。この場合、第１強磁性金属層１と第２強磁性金属層２との間に電子流を流し、外部磁場による第２強磁性金属層２の磁化の回転、もしくは伝導するスピンの回転に応じて、第２強磁性金属層２の界面付近に蓄積するスピン量が変化し、磁気抵抗が変化することを利用する。第１電極１Ｍと第２電極２Ｍは利用しない、又は、予め形成しないこととする。第１強磁性金属層１と第２強磁性金属層２との間の抵抗は、一定の電圧を印加した場合に、これらの間に流れる電流を計測することで、求めることができる。非局所構造の場合には、第１及び第２強磁性金属層の磁化方向は同一の方向（平行）であることが、製造時の磁場印加工程が単純化されるため好ましく、磁気抵抗効果型では、スピンＦＥＴ（電界効果トランジスタ）のように、一方の磁化の向きを固定しないでフリー層として用いる構造、もしくは大きな出力を得るという観点から、反平行に固定することが好ましい。
【００３２】
なお、半導体層３は、電子流又はスピン流が伝播するチャネル層として機能する領域以外は、エッチングにより除去され、Ｙ軸方向に延びた長方形の形状を呈している（図２参照）。図２に示されるように、エッチングによって露出した半導体層３の側面及びＺ軸に垂直な露出表面は、ＳｉＯ２などの絶縁性の保護膜Ｆによって被覆されている。
【００３３】
図３は、強磁性金属層１，２を含む電極構造の詳細を示す図である。
【００３４】
磁化方向を固定する場合、図３（Ａ）に示すように、第１トンネル絶縁層Ｔ１上には、第１強磁性金属層１、第１反強磁性層１ＡＦ、及び、外部配線と接続される第１電極層１Ｅ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３（Ｂ）に示すように、第２トンネル絶縁層Ｔ２上には、第２強磁性金属層２、第２反強磁性層２ＡＦ、及び、外部配線と接続される第２電極層２Ｅが順次積層されている。強磁性金属層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。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、強磁性金属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することができる。
【００３５】
なお、上記トンネル絶縁膜Ｔ１，Ｔ２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、ＺｎＯやＡｌ２Ｏ３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。また、強磁性金属層１，２の材料としては、Ｆｅ，Ｎｉ又はＣｏ及びこれらから選択されるＣｏＦｅやＮｅＦｅなどの合金を用いることができる。反強磁性層ＡＦ１，ＡＦ２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、形状磁気異方性が強い場合は、反強磁性層ＡＦ１，ＡＦ２は省略することができる。電極層１Ｅ，２Ｅ及び電極１Ｍ，２Ｍ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。
【００３６】
半導体層３としてＳｉ、トンネル絶縁層Ｔ１（またはＴ２）として単結晶のＭｇＯ、強磁性層１（又は２）としてＦｅを用いた場合の界面状態を、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて観察した。以下の図４及び図５は、得られた素子の界面付近のＴＥＭ像をフーリエ変換し、その特定の逆格子成分のみを逆フーリエ解析を行い、画像化したものである。波数成分は図４では、Ｓｉ［１１１］方向の逆格子点とΓ点（ｋ＝（０，０，０））、図５ではＳｉ［１１０］方向の逆格子点とΓ点を採用して変換を行った。原子配列は線で示され、直線的に延び、その線上に原子が連続的に配列している。
【００３７】
比較例及び実施例の素子の寸法は以下の通りである。
・第１強磁性金属層と第１電極との間の離間距離：５０μｍ
・第２強磁性金属層と第２電極との間の離間距離：５０μｍ
・第１強磁性金属層と第２強磁性金属層との間の離間距離：５００ｎｍ
・半導体層３の厚み：１００ｎｍ
・トンネル絶縁層の厚み：１ｎｍ
・第１電極と第１強磁性層間の電流：１ｍＡ
・第１強磁性層と第２強磁性層の中心間距離：１．７μｍ
【００３８】
図４は、Ｆｅ／ＭｇＯ／Ｓｉ積層体（比較例）の逆フーリエＴＥＭ像を示す図である。
【００３９】
比較例では、まず、ＳＯＩ基板（半導体基板１０＝｛１００｝Ｓｉ、絶縁層１１＝ＳｉＯ２、半導体層３＝厚さ１００ｎｍの｛１００｝Ｓｉ）を用意し、不純物としてリン（Ｐ）イオンを半導体層３内に、５ｘ１０１９／ｃｍ３の濃度で注入し、アセトンとイソプロピルアルコールで洗浄後、表面の酸化膜をフッ酸で除去した。その後、この基板をＭＢＥ（分子線エピタキシー）チャンバに入れ、一度、低温（３００℃、４００℃、５００℃、５５０℃、５８０℃）で６０分間加熱して、アニールした後、室温でＭｇＯ、Ｆｅ、Ｔｉの順に成膜した。ここでＴｉは保護層である。なお、図４は、３００℃でアニールした場合の逆フーリエＴＥＭ像を示している（分極率Ｐ＝０．００１５）。
【００４０】
その後、図１に示した非局所構造の素子を作製した。強磁性金属層１，２の磁化の固定には、形状磁気異方性を用い、電極層１Ｅ，２Ｅと電極１Ｍ，２Ｍの材料にはＡｌを用い、蒸着法により形成した。半導体層３として、｛１００｝Ｓｉを用いたが、成長したＭｇＯのＳｉとの界面は｛１００｝面であり、Ｓｉ及びＭｇＯの結晶の［１１０］方向とＦｅの結晶の［１００］方向が界面に平行な同一方向を向いている。ＭｇＯの厚みは１．４ｎｍである。同図中の三角印の位置において転位が観察される。
【００４１】
図５は、Ｆｅ／ＭｇＯ／Ｓｉ積層体（実施例）の逆フーリエＴＥＭ像を示す図である。
【００４２】
実施例では、まず、比較例と同じＳＯＩ基板を用意し、不純物としてリン（Ｐ）イオンを半導体層３内に、５ｘ１０１９（ｃｍ−３）の濃度で注入し、アセトンとイソプロピルアルコールで洗浄後、表面の酸化膜をフッ酸で除去した。その後、この基板をＭＢＥ（分子線エピタキシー）チャンバに入れ、一度、高温（６００℃、６２０℃、６５０℃、６８０℃、７００℃）で６０分間加熱して、アニールした後、室温でＭｇＯ、Ｆｅ、Ｔｉの順に成膜した。ここでＴｉは保護層である。その後、比較例と同一の方法で、図１に示した非局所構造の素子を作製した。なお、図５は、７００℃でアニールした場合の逆フーリエＴＥＭ像を示している（分極率Ｐ＝０．３５）。
【００４３】
半導体層３として｛１００｝Ｓｉを用いたが、成長したＭｇＯのＳｉとの界面は｛１００｝面であり、Ｓｉの結晶の[１００]方向とＭｇＯの結晶の[１１０]方向とＦｅの結晶の[１００]方向が界面に平行な同一方向を向いている。ＭｇＯの厚みは１．４ｎｍである。同図中の三角印の位置において転位が観察される。
【００４４】
これらの画像から、ＭｇＯは界面付近でも結晶化しており、これら界面は、セミコヒーレントな界面と呼ぶことができる。なお、図４では、ほぼ原子５層につき１層の割合で転位が存在し、図５ではほぼ原子１０層につき１層の割合で転位が存在している。Ｓｉ／ＭｇＯ界面がセミコヒーレント界面だとすれば、転位の位置ではＳｉとＯの結合が切れるため、不対電子が取り残され、ダングリングボンドとなっている。
【００４５】
次に、上述の比較例（アニール温度：３００℃〜５８０℃）と、実施例（アニール温度６００℃〜７００℃）の試料において、半導体層３とトンネル絶縁層Ｔ１（Ｔ２）との間の界面におけるダングリングボンドの面密度を、電子スピン共鳴法（ＥＳＲ）を用いて計測すると共に、スピン分極率Ｐを求めた。
【００４６】
図６は、ＥＳＲスペクトル（比較例：アニール温度５５０℃）を示すグラフ、図７は、ＥＳＲスペクトル（実施例：アニール温度７００℃）を示すグラフである。横軸は印加される外部磁場Ｈ（Ｏｅ）を示し、縦軸はＥＳＲスペクトル強度Ｉ（ａ．ｕ．）を示している。外部磁場Ｈを変化させると、ＥＳＲ信号の強度Ｉが変化する。ＥＳＲ測定では、ｇ値が用いられ、ｇ値は外部から印加されるマイクロ波の振動数と共鳴磁場の強度で決定される固有の値であり、このスペクトルとｇ値を観察することで、格子欠陥などを同定することができる。マイクロ波のパワーは２００μＷであり、これらの図のスペクトル計測時の試料温度は８Ｋである。
【００４７】
図６及び図７における磁場Ｈ１におけるｇ値は、２．００５５であり、磁場Ｈ２におけるｇ値は１．９９９６である。ｇ値＝２．００５５の場合、ＭｇＯにおける「Ｏ」と、下地の半導体層の「Ｓｉ」との間の結合（Ｓｉ−Ｏ）が切断され、ダングリングボンドが発生しているものと考えられる。スペクトルのフィッティングを用いて求められるダングリングボンドの面密度は、図６では４．８×１０１４／ｃｍ２であり、図７では１．０×１０１４／ｃｍ２である。
【００４８】
なお、ＥＳＲスペクトルにおいては、Ｐｂセンターが観察されている。Ｐｂセンターは、Ｓｉから延びる４本の結合手のうち１本が切れＳｉ同士の三重結合が生じるＰｂ０センターと、同様に１本が切れＳｉ同士の二重結合とＳｉとＯとの結合があるＰｂ１センターからなる。上記スペクトルでは、磁場Ｈ１において、ｇ値＝２．００５５にピークが観測されるが、これはフッ酸洗浄後に形成されるＳｉ酸化膜を測定した場合に観測される典型的なＰｂセンターによるピークであり、Ｓｉ−Ｏ結合における結合の切断が反映された結果と考えられる。磁場Ｈ２におけるｇ値＝１．９９９６のピークは、ＭｇＯもしくはＳｉＯ２中の欠陥に捕獲された電子からの信号と考えられ、ダングリングボンドには関与していないと考えられる。
【００４９】
図８は、ダングリングボンドの面密度ＤＤ（×１０１４／ｃｍ２）とスピン分極率Ｐの関係を示すグラフ（１００Ｋ）、図９は、ダングリングボンドの面密度ＤＤ（×１０１４／ｃｍ２）、スピン分極率Ｐ、アニール温度（℃）、室温スピン伝導の有無について示す図表である。
【００５０】
これらの図に示されるように、ダングリングボンドの面密度が３×１０１４／ｃｍ２以下となると、室温においてもスピン伝導が観察され、スピン分極率Ｐも急激に増加し、３×１０１４／ｃｍ２ではスピン分極率Ｐ＝０．３５を得ることができた。この場合の半導体層３のアニール温度は６００℃〜７００℃である。比較例では、アニール温度は５８０℃〜３００℃であるが、これらのダングリングボンドの面密度は３．９×１０１４／ｃｍ２以上であり、分極率Ｐも低いという結果になった。
【００５１】
ダングリングボンドが多いほど界面付近のポテンシャルの乱れが増加するものと考えられ、分極率Ｐは、ダングリングボンド密度に対して指数関数的に減衰することがわかった。また、ダングリングボンドのＥＳＲ測定によれば、界面の性質にはＭｇの影響は現れず、Ｓｉ−Ｏの結合が切れた状態とみなされる。従って、電子の散乱は、ＭｇＯ以外の材料であっても、同様にエピタキシャル成長を行う結晶であれば、同程度に生じるものと予想される。Ｓｉへのエピタキシャル成長によって、同程度の効果が得られる材料としては、結晶質のＺｎＯなどがある。
【００５２】
なお、典型的なデバイスから考えると、注入電子流１ｍＡにおいて、出力電圧Ｖ＝１ｍＶ以上が要求される。理論的には概ね出力電圧Ｖ＝Ｐ２×λＮ×ｉ×／σＳで与えられる。なお、第１及び第２強磁性金属層１，２の離間距離はスピン拡散長λＮより短い。例えば半導体層の抵抗率１／σ＝０．０１Ωｃｍ、スピンが流れるチャネルの断面積Ｓ＝１０μｍ×０．１μｍ＝１μｍ２、スピン拡散長λＮ＝１μｍ、印加電流ｉ＝１ｍＡを想定すると、このような場合、出力電圧Ｖ（１ｍＶ以上）は、０．１×Ｐ２に比例するものとすると、分極率Ｐは０．１以上が好ましいことになる。それに対応してダングリングボンド密度は３×１０１４／ｃｍ２以下となる。また、上記ダングリングボンドの面密度は低いほど好ましいと考えられるが、上記では、１×１０１４／ｃｍ２以上の場合に、分極率が高くなることが確認された。
【００５３】
なお、同様にスピン散乱が抑制されるという理由から、分極率Ｐは、半導体層側から、トンネル絶縁層を介して、強磁性金属層内に、スピンを注入する場合にも同様に向上する。
【００５４】
以上のように、半導体層としてＳｉ単結晶を用い、トンネル絶縁層としてＭｇＯを用いた場合には、１０％以上の分極率Ｐを得ることができ、最大で３５％の分極率Ｐを得ることができた。
【００５５】
図１０は、スピン素子２０を磁気センサとして含む磁気ヘッドの縦断面構造を示す図である。
【００５６】
この磁気センサ（スピン素子２０）は、磁気ヘッドＭＨに組み込まれている。磁気ヘッドＭＨは、ＡｌＴｉＣなどの支持基板ＳＳと、支持基板ＳＳ上に形成された一対の磁気シールド層ＳＨ１、ＳＨ２と、一対の磁気シールド層ＳＨ１、ＳＨ２間に配置されたスピン素子２０とを備えており、スピン素子２０は磁気記録媒体ＭＤＡの記憶領域からの磁場を検出する磁気センサとして機能する。磁気ヘッドＭＨは、ＳｉＯ２などの適当な絶縁層ＩＬを備えており、絶縁層ＩＬ内には磁気情報の書き込み素子３０が形成されている。書き込み素子３０は、磁気記録媒体ＭＤＡに磁気情報を書き込むことができる。なお、書き込み素子３０は、内部コイルに通電することで、磁場を発生する素子であり、従来から知られている。なお、スピン素子２０は、図１に示した半導体層３内に外部磁場を導入できるように配置すればよいが、本例では、電子流又はスピン流の流れる方向（Ｙ軸方向）が、磁気記録媒体ＭＤＡのトラック幅方向に一致するように設定されている。
【００５７】
上述のスピン素子２０を非局所構造の磁気センサとして用いる場合、図１に示したものを採用すればよく、半導体層３の表面上に形成された第１、２トンネル絶縁層Ｔ１，Ｔ２と、第１、２トンネル絶縁層Ｔ１，Ｔ２上に、それぞれ形成された強磁性金属層１，２と、半導体層３上に形成された一対の非磁性金属からなる電極１Ｍ,２Ｍとを備える。
【００５８】
上述のスピン素子２０を磁気抵抗効果型の磁気センサとして用いる場合、図１における電極１Ｍ，２Ｍは不要であり、磁気ヘッド内に組み込む場合の配置は、電子流の流れる方向（Ｙ軸方向）が、磁気記録媒体ＭＤＡのトラック幅方向に一致するように設定される。
【００５９】
上述の磁気センサは、分極率が高いため、高い精度で外部磁場を検出することが可能となる。
【００６０】
図１１は、上述のスピン素子２０を含むスピンＦＥＴの縦断面構造を示す図である。
【００６１】
このスピンＦＥＴ（ＴＲ）は、上述のスピン素子２０における主要部（基板１０、絶縁層１１、半導体層３、第１、２トンネル絶縁層Ｔ１，Ｔ２、強磁性金属層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。上述のトンネル絶縁層Ｔ１，Ｔ２は、それぞれ半導体層３のソース領域Ｄ及びドレイン領域Ｄ上に形成され、それぞれのトンネル絶縁層Ｔ１，Ｔ２上に、強磁性金属層１，２が形成されている。第１及び第２強磁性金属層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。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。また、第２強磁性金属層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。
【００６２】
以上のように、上記スピンＦＥＴは、半導体層３の表面上に形成されたトンネル絶縁層Ｔ１，Ｔ２と、トンネル絶縁層上に形成された強磁性金属層１，２とを備えているが、スピン分極率は高いため、フリー層の磁化方向に応じた高い精度で、スピンがフリー層内に流れ込むことができ、高精度の動作を行うことができる。
【符号の説明】
【００６３】
３・・・半導体層、Ｔ１，Ｔ２・・・トンネル絶縁層、１，２・・・強磁性金属層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン素子及びこれを用いた磁気センサ及びスピンＦＥＴに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、強磁性体におけるスピンの機能と、電気伝導における電子の機能を共に利用したスピンエレクトロニクスデバイスの研究開発が盛んに行われている。こうしたデバイスの例として、例えばハードディスクドライブにおける磁気ヘッドやＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）がある。さらに、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）にスピンの機能を付与させるスピンＭＯＳ−ＦＥＴのアイディアが提案され、半導体（シリコン）スピンエレクトロニクスデバイスの研究開発も盛んに行われている。これらスピンエレクトロニクスの基本技術は、金属強磁性体から非磁性物質へのスピン注入の利用である。非磁性物質として金属を用いた、磁気メモリ及び磁気センサも開示されている（特許文献１、特許文献２）。
【０００３】
また、非磁性物質としてＳｉを用いたスピンＭＯＳＦＥＴが開示されている（特許文献３）。スピン注入の効率を上げるため、電極構造としては、強磁性金属/トンネル絶縁膜/非磁性物質が採用され、非磁性物質に注入されたスピンが伝導し（この伝導層はチャネルと称される）、対向して配置された同様な構造の電極で、その磁化の向きに応じた電位の変化から、伝導スピンを検出している。半導体の場合は、トンネル絶縁膜は用いず、界面に形成されるショットキーバリアを擬似トンネル層として用いることも可能である。
【０００４】
デバイスの応用形態は、非局所構造（特許文献１、２）と、局所構造（特許文献３）に分類できる。非局所構造では、固定層を通過した電流はフリー層へは流れないため，固定層とフリー層の間のチャネル領域では電流がゼロであり、有限のスピン流だけが流れるという状況が実現されている。すなわち、アップスピンによる電子流とダウンスピンによる電子流の大きさが等しく、かつ向きが逆で完全な打ち消し合いが起こっている。チャネル領域を拡散してきたスピン流の一部はフリー層磁性体で吸収される。このとき、フリー層と固定層の磁化の相対的な向きによってフリー層の電位が変化するため、それを電圧計で測定することができる。このように、スピン伝導の形態で言えば、非局所構造では電子流ではなくスピン流がスピン情報を運んでいる。スピン流は、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）やジュール熱等に起因するノイズが極めて小さく、良質のスピン情報の伝達に向いている。局所構造は従来の磁気抵抗素子同様に、スピン偏極した電流を担体としてスピン情報が伝導している。
【０００５】
これらスピン注入を応用した全てのデバイスの基本動作に共通するのは、入力としては電子流、情報伝達はスピンの流れ、出力はスピン蓄積電圧、を用いることである。従って、デバイス動作の良否を決定するのは、いかに電流から効率よくスピンの流れを作り出すかであり、注入電子流をｉとし、注入電極からチャネルに入ったときの電流のスピン成分をｉ（ｕｐ）、ｉ（ｄｏｗｎ）したとき、注入電子流をｉ＝（ｉ（ｕｐ）＋ｉ（ｄｏｗｎ））で与えられるが、スピン分極率Ｐをどれだけ高く設定できるかが重要である。スピン分極率Ｐは、以下の式で与えられる。
【０００６】
（式１）
スピン分極率Ｐ＝（ｉ（ｕｐ）−ｉ（ｄｏｗｎ））/ｉ
【０００７】
強磁性体では、電子のスピンの向きによって電流の流れやすさが異なり、上向きスピンの電気伝導度σ（ｕｐ）と下向きスピンの電気伝導度σ（ｄｏｗｎ）が異なる。そのため、強磁性体に流れる電流はスピン偏極しており、その分極率ＰＦは、以下のようになる。
【０００８】
（式２）
強磁性体中のスピン分極率ＰＦ＝（σ（ｕｐ）−σ（ｄｏｗｎ））／σ（ｕｐ）＋σ（ｄｏｗｎ））
【０００９】
従って、電極内部での電子の散乱がなければ、注入された電子流のスピン分極率Ｐは、強磁性体中のスピン分極率ＰＦになることが期待される。また、トンネル膜が単結晶であって、スピンフィルター効果を有する場合は、Ｐ≧ＰＦも理論的にはありえる。
【００１０】
しかしながら、実際の分極率Ｐは、強磁性体中の分極率ＰＦよりもずっと小さくなってしまう。本願発明者らの研究によれば、トンネル膜とＳｉ界面で電子の散乱が起こり、分極率Ｐが減少することが発見された（非特許文献１，２）。非特許文献１によれば、８Ｋでの分極率Ｐは約０．０２であり、温度の上昇に連れ分極率Ｐは低下し、１００Ｋ以上で０．０１以下になる。強磁性体として用いているＦｅのスピン分極率ＰＦはおよそ０．５なので、実際の分極率Ｐは、ＰＦの４％以下に低下している。
【００１１】
界面散乱を低減させるため、Ｓｉ上にトンネル膜と強磁性金属をエピタキシャル成長させることが試みられている。例えばトンネル膜としてＭｇＯ、強磁性金属としてＦｅの成長を試みているが、Ｓｉ界面はアモルファスになっているという結果が報告されている（非特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−１８６２７４号公報
【特許文献２】特開２００７−２９９４６７号公報
【特許文献３】特開２００４−１１１９０４号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｔ．Ｓａｓａｋｉ ｅｔ ａｌ．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ，９６，１２２１０１、２０１０年
【非特許文献２】Ｔ．Ｓａｓａｋｉ ｅｔ ａｌ．ＡＰＥＸ，２，０５３００３、２００９年
【非特許文献３】Ｃ．Ｍａｒｔｉｎｅｚ ｅｔ ａｌ．Ｊ. Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｖｏｌ．９３，２１２６、２００３年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記従来の技術においては、分極率の向上に関する解決策は見出されていない。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、分極率を向上可能なスピン素子、及びこれを用いた磁気センサ及びスピンＦＥＴ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】
【００１５】
トンネル磁気抵抗効果デバイスにおいて、高い分極率を得るには、トンネル絶縁層の材質はアモルファスより単結晶が好ましいと考えられる。したがって、本願発明者らは、Ｓｉからなる半導体層上へのトンネル絶縁層のエピタキシャル成長を試みた。この結果、本願発明者らが鋭意検討を行ったところ、Ｓｉの半導体層とトンネル絶縁層との間に、ダングリングボンド（未結合手）が多数存在しており、このダングリングボンド密度を低減させることで、分極率を著しく向上可能であることを発見した。
【００１６】
すなわち、本発明は、単結晶のＳｉからなる半導体層と、前記半導体層の表面上に形成された結晶質の第１トンネル絶縁層と、前記第１トンネル絶縁層上に形成された第１強磁性金属層と、を備えたスピン素子であって、前記半導体層と前記第１トンネル絶縁層との間の界面におけるダングリングボンドの面密度が３×１０１４／ｃｍ２以下であることを特徴とする。第１強磁性金属層から、第１トンネル絶縁層を介して、半導体層に電子を注入した場合、第１強磁性金属層の磁化の向きに依存したスピンが半導体層内に注入される。この際の分極率は、ダングリングボンドの面密度が上記の場合、著しく向上させることができる。また、この分極率は、半導体層側から、第１トンネル絶縁層を介して、第１強磁性金属層内に、スピンを注入する場合にも同様に向上する。
【００１７】
上記ダングリングボンドの面密度が１×１０１４／ｃｍ２以上である場合には、上述の分極率向上効果を確認することができた。
【００１８】
前記第１トンネル絶縁層はＭｇＯであることが好ましい。半導体層としてＳｉ単結晶を用い、トンネル絶縁層としてＭｇＯを用いた場合には、１０％以上の分極率が得られた。
【００１９】
本発明に係る磁気センサは、上述のスピン素子と、前記半導体層の表面上に形成された第２トンネル絶縁層と、前記第２トンネル絶縁層上に形成された第２強磁性金属層と、前記半導体層上に形成された一対の非磁性金属からなる電極とを備えることを特徴とする。この場合、スピン分極率が高いため、高精度の検出を行うことができる。
【００２０】
本発明に係るスピンＦＥＴは、上述のスピン素子と、前記半導体層の表面上に形成された第２トンネル絶縁層と、前記第２トンネル絶縁層上に形成された第２強磁性金属層と、前記第１及び第２強磁性金属層間における前記半導体層の電位を制御するゲート電極と、を備えることを特徴とする。この場合、スピン分極率が高いため、高精度の動作を行うことができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のスピン素子によれば、分極率を向上させることが可能であるため、これを用いた磁気センサ及びスピンＦＥＴは、高精度の検出又は動作を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】非局所構造のスピン素子の縦断面構成を示す図である。
【図２】図１に示したスピン素子の強磁性金属層１，２の位置におけるＸＺ断面図である。
【図３】強磁性金属層１，２を含む電極構造の詳細を示す図である。
【図４】Ｆｅ／ＭｇＯ／Ｓｉ積層体（比較例）の逆フーリエＴＥＭ像を示す図である。
【図５】Ｆｅ／ＭｇＯ／Ｓｉ積層体（実施例）の逆フーリエＴＥＭ像を示す図である。
【図６】ＥＳＲスペクトル（比較例）を示すグラフである。
【図７】ＥＳＲスペクトル（実施例）を示すグラフである。
【図８】ダングリングボンドの面密度ＤＤ（×１０１４／ｃｍ２）とスピン分極率Ｐの関係を示すグラフである。
【図９】ダングリングボンドの面密度ＤＤ（×１０１４／ｃｍ２）、スピン分極率Ｐ、アニール温度（℃）、室温スピン伝導の有無について示す図表である。
【図１０】スピン素子２０を磁気センサとして含む磁気ヘッドの縦断面構造を示す図である。
【図１１】スピン素子を含むＦＥＴの縦断面構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、実施の形態に係るスピン素子について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２４】
図１は、非局所構造のスピン素子の縦断面構成を示す図である。同図では、ＸＹＺ三次元直交座標系が設定されている。また、図２は、図１に示したスピン素子の強磁性金属層１の位置におけるＸＺ断面図（Ａ）、強磁性金属層２の位置におけるＸＺ断面図（Ｂ）である。
【００２５】
Ｓｉからなる半導体基板１０上に、ＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３などの絶縁層１１を介して、半導体層３が形成されている。すなわち、半導体層３を含む基板は、ＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板であり、半導体層３の厚みが例えば１００ｎｍ以下に設定されている。ＳＯＩ基板を用いた場合、半導体層３を薄くすることができるため、基板の深い位置からの影響を抑制することができるという利点がある。半導体層３は、Ｓｉの単結晶からなり、強磁性金属層１，２や非磁性の電極１Ｍ，２Ｍの形成される表面が｛１００｝となっている。
【００２６】
このスピン素子２０は、単結晶のＳｉからなる半導体層３と、半導体層３の表面上に形成された第１トンネル絶縁層Ｔ１と、第１トンネル絶縁層Ｔ１上に形成された第１強磁性金属層１とを備えている。ここで、半導体層３と第１トンネル絶縁層Ｔ１との間の界面におけるダングリングボンドの面密度は３×１０１４／ｃｍ２以下である。この際、分極率は、著しく向上させることができる。
【００２７】
第１強磁性金属層１と第１電極１Ｍとの間には、電子流源Ｊが接続されている。電子流源Ｊにより、第１強磁性金属層１から、第１トンネル絶縁層Ｔ１を介して、半導体層３に電子を注入した場合、第１強磁性金属層１の磁化の向きに依存したスピンが半導体層内に注入される。この際の分極率は、ダングリングボンドの面密度が上記の場合、著しく向上させることができる。
【００２８】
図１に示すスピン素子２０は、磁気センサとしても機能させることができる。すなわち、この磁気センサは、半導体層３の表面上に形成された第２トンネル絶縁層Ｔ２と、第２トンネル絶縁層Ｔ２上に形成された第２強磁性金属層２とを備えている。半導体層３上には一対の非磁性金属からなる電極１Ｍ、２Ｍが形成されている。この磁気センサは、非局所構造を有しており、電流源Ｊから、第１強磁性金属層１に電子を供給する。第１強磁性金属層１から半導体層３内に注入された電子ｅは、半導体層３内を伝播して、第１電極１Ｍに流れることになる。
【００２９】
一方、第１強磁性金属層１から半導体層３内への注入電子位置から、スピン流Ｓｐが第２強磁性金属層２方向に拡散する。スピン流Ｓｐに応じて、第２強磁性金属層２と第２電極２Ｍとの間に電圧が発生するが、この電圧は、第２強磁性金属層２と第２電極２Ｍとの間に接続された電圧計Ｖによって測定される。スピン流Ｓｐは、半導体層３内に導入される外部磁場に依存して、スピンの向きが回転し、磁場の大きさに依存して、電圧計Ｖによって検出される電圧値が異なることなる。したがって、このスピン素子は、磁気センサとして機能させることができる。
【００３０】
なお、第１強磁性金属層１と第２強磁性金属層２は、共にＹ軸に平行な磁化方向を有している。これらの磁化方向は、固定されており、第１強磁性金属層１と第２強磁性金属層２は磁化固定層として機能しているが、スピンＦＥＴ（電界効果トランジスタ）のように、一方の磁化の向きを固定しないでフリー層として用いる構造も考えられる。
【００３１】
さらに、本発明は、非局所構造のスピン素子ではなく、磁気抵抗効果型のスピン素子に応用することも可能である。この場合、第１強磁性金属層１と第２強磁性金属層２との間に電子流を流し、外部磁場による第２強磁性金属層２の磁化の回転、もしくは伝導するスピンの回転に応じて、第２強磁性金属層２の界面付近に蓄積するスピン量が変化し、磁気抵抗が変化することを利用する。第１電極１Ｍと第２電極２Ｍは利用しない、又は、予め形成しないこととする。第１強磁性金属層１と第２強磁性金属層２との間の抵抗は、一定の電圧を印加した場合に、これらの間に流れる電流を計測することで、求めることができる。非局所構造の場合には、第１及び第２強磁性金属層の磁化方向は同一の方向（平行）であることが、製造時の磁場印加工程が単純化されるため好ましく、磁気抵抗効果型では、スピンＦＥＴ（電界効果トランジスタ）のように、一方の磁化の向きを固定しないでフリー層として用いる構造、もしくは大きな出力を得るという観点から、反平行に固定することが好ましい。
【００３２】
なお、半導体層３は、電子流又はスピン流が伝播するチャネル層として機能する領域以外は、エッチングにより除去され、Ｙ軸方向に延びた長方形の形状を呈している（図２参照）。図２に示されるように、エッチングによって露出した半導体層３の側面及びＺ軸に垂直な露出表面は、ＳｉＯ２などの絶縁性の保護膜Ｆによって被覆されている。
【００３３】
図３は、強磁性金属層１，２を含む電極構造の詳細を示す図である。
【００３４】
磁化方向を固定する場合、図３（Ａ）に示すように、第１トンネル絶縁層Ｔ１上には、第１強磁性金属層１、第１反強磁性層１ＡＦ、及び、外部配線と接続される第１電極層１Ｅ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３（Ｂ）に示すように、第２トンネル絶縁層Ｔ２上には、第２強磁性金属層２、第２反強磁性層２ＡＦ、及び、外部配線と接続される第２電極層２Ｅが順次積層されている。強磁性金属層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。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、強磁性金属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することができる。
【００３５】
なお、上記トンネル絶縁膜Ｔ１，Ｔ２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、ＺｎＯやＡｌ２Ｏ３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。また、強磁性金属層１，２の材料としては、Ｆｅ，Ｎｉ又はＣｏ及びこれらから選択されるＣｏＦｅやＮｅＦｅなどの合金を用いることができる。反強磁性層ＡＦ１，ＡＦ２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、形状磁気異方性が強い場合は、反強磁性層ＡＦ１，ＡＦ２は省略することができる。電極層１Ｅ，２Ｅ及び電極１Ｍ，２Ｍ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。
【００３６】
半導体層３としてＳｉ、トンネル絶縁層Ｔ１（またはＴ２）として単結晶のＭｇＯ、強磁性層１（又は２）としてＦｅを用いた場合の界面状態を、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて観察した。以下の図４及び図５は、得られた素子の界面付近のＴＥＭ像をフーリエ変換し、その特定の逆格子成分のみを逆フーリエ解析を行い、画像化したものである。波数成分は図４では、Ｓｉ［１１１］方向の逆格子点とΓ点（ｋ＝（０，０，０））、図５ではＳｉ［１１０］方向の逆格子点とΓ点を採用して変換を行った。原子配列は線で示され、直線的に延び、その線上に原子が連続的に配列している。
【００３７】
比較例及び実施例の素子の寸法は以下の通りである。
・第１強磁性金属層と第１電極との間の離間距離：５０μｍ
・第２強磁性金属層と第２電極との間の離間距離：５０μｍ
・第１強磁性金属層と第２強磁性金属層との間の離間距離：５００ｎｍ
・半導体層３の厚み：１００ｎｍ
・トンネル絶縁層の厚み：１ｎｍ
・第１電極と第１強磁性層間の電流：１ｍＡ
・第１強磁性層と第２強磁性層の中心間距離：１．７μｍ
【００３８】
図４は、Ｆｅ／ＭｇＯ／Ｓｉ積層体（比較例）の逆フーリエＴＥＭ像を示す図である。
【００３９】
比較例では、まず、ＳＯＩ基板（半導体基板１０＝｛１００｝Ｓｉ、絶縁層１１＝ＳｉＯ２、半導体層３＝厚さ１００ｎｍの｛１００｝Ｓｉ）を用意し、不純物としてリン（Ｐ）イオンを半導体層３内に、５ｘ１０１９／ｃｍ３の濃度で注入し、アセトンとイソプロピルアルコールで洗浄後、表面の酸化膜をフッ酸で除去した。その後、この基板をＭＢＥ（分子線エピタキシー）チャンバに入れ、一度、低温（３００℃、４００℃、５００℃、５５０℃、５８０℃）で６０分間加熱して、アニールした後、室温でＭｇＯ、Ｆｅ、Ｔｉの順に成膜した。ここでＴｉは保護層である。なお、図４は、３００℃でアニールした場合の逆フーリエＴＥＭ像を示している（分極率Ｐ＝０．００１５）。
【００４０】
その後、図１に示した非局所構造の素子を作製した。強磁性金属層１，２の磁化の固定には、形状磁気異方性を用い、電極層１Ｅ，２Ｅと電極１Ｍ，２Ｍの材料にはＡｌを用い、蒸着法により形成した。半導体層３として、｛１００｝Ｓｉを用いたが、成長したＭｇＯのＳｉとの界面は｛１００｝面であり、Ｓｉ及びＭｇＯの結晶の［１１０］方向とＦｅの結晶の［１００］方向が界面に平行な同一方向を向いている。ＭｇＯの厚みは１．４ｎｍである。同図中の三角印の位置において転位が観察される。
【００４１】
図５は、Ｆｅ／ＭｇＯ／Ｓｉ積層体（実施例）の逆フーリエＴＥＭ像を示す図である。
【００４２】
実施例では、まず、比較例と同じＳＯＩ基板を用意し、不純物としてリン（Ｐ）イオンを半導体層３内に、５ｘ１０１９（ｃｍ−３）の濃度で注入し、アセトンとイソプロピルアルコールで洗浄後、表面の酸化膜をフッ酸で除去した。その後、この基板をＭＢＥ（分子線エピタキシー）チャンバに入れ、一度、高温（６００℃、６２０℃、６５０℃、６８０℃、７００℃）で６０分間加熱して、アニールした後、室温でＭｇＯ、Ｆｅ、Ｔｉの順に成膜した。ここでＴｉは保護層である。その後、比較例と同一の方法で、図１に示した非局所構造の素子を作製した。なお、図５は、７００℃でアニールした場合の逆フーリエＴＥＭ像を示している（分極率Ｐ＝０．３５）。
【００４３】
半導体層３として｛１００｝Ｓｉを用いたが、成長したＭｇＯのＳｉとの界面は｛１００｝面であり、Ｓｉの結晶の[１００]方向とＭｇＯの結晶の[１１０]方向とＦｅの結晶の[１００]方向が界面に平行な同一方向を向いている。ＭｇＯの厚みは１．４ｎｍである。同図中の三角印の位置において転位が観察される。
【００４４】
これらの画像から、ＭｇＯは界面付近でも結晶化しており、これら界面は、セミコヒーレントな界面と呼ぶことができる。なお、図４では、ほぼ原子５層につき１層の割合で転位が存在し、図５ではほぼ原子１０層につき１層の割合で転位が存在している。Ｓｉ／ＭｇＯ界面がセミコヒーレント界面だとすれば、転位の位置ではＳｉとＯの結合が切れるため、不対電子が取り残され、ダングリングボンドとなっている。
【００４５】
次に、上述の比較例（アニール温度：３００℃〜５８０℃）と、実施例（アニール温度６００℃〜７００℃）の試料において、半導体層３とトンネル絶縁層Ｔ１（Ｔ２）との間の界面におけるダングリングボンドの面密度を、電子スピン共鳴法（ＥＳＲ）を用いて計測すると共に、スピン分極率Ｐを求めた。
【００４６】
図６は、ＥＳＲスペクトル（比較例：アニール温度５５０℃）を示すグラフ、図７は、ＥＳＲスペクトル（実施例：アニール温度７００℃）を示すグラフである。横軸は印加される外部磁場Ｈ（Ｏｅ）を示し、縦軸はＥＳＲスペクトル強度Ｉ（ａ．ｕ．）を示している。外部磁場Ｈを変化させると、ＥＳＲ信号の強度Ｉが変化する。ＥＳＲ測定では、ｇ値が用いられ、ｇ値は外部から印加されるマイクロ波の振動数と共鳴磁場の強度で決定される固有の値であり、このスペクトルとｇ値を観察することで、格子欠陥などを同定することができる。マイクロ波のパワーは２００μＷであり、これらの図のスペクトル計測時の試料温度は８Ｋである。
【００４７】
図６及び図７における磁場Ｈ１におけるｇ値は、２．００５５であり、磁場Ｈ２におけるｇ値は１．９９９６である。ｇ値＝２．００５５の場合、ＭｇＯにおける「Ｏ」と、下地の半導体層の「Ｓｉ」との間の結合（Ｓｉ−Ｏ）が切断され、ダングリングボンドが発生しているものと考えられる。スペクトルのフィッティングを用いて求められるダングリングボンドの面密度は、図６では４．８×１０１４／ｃｍ２であり、図７では１．０×１０１４／ｃｍ２である。
【００４８】
なお、ＥＳＲスペクトルにおいては、Ｐｂセンターが観察されている。Ｐｂセンターは、Ｓｉから延びる４本の結合手のうち１本が切れＳｉ同士の三重結合が生じるＰｂ０センターと、同様に１本が切れＳｉ同士の二重結合とＳｉとＯとの結合があるＰｂ１センターからなる。上記スペクトルでは、磁場Ｈ１において、ｇ値＝２．００５５にピークが観測されるが、これはフッ酸洗浄後に形成されるＳｉ酸化膜を測定した場合に観測される典型的なＰｂセンターによるピークであり、Ｓｉ−Ｏ結合における結合の切断が反映された結果と考えられる。磁場Ｈ２におけるｇ値＝１．９９９６のピークは、ＭｇＯもしくはＳｉＯ２中の欠陥に捕獲された電子からの信号と考えられ、ダングリングボンドには関与していないと考えられる。
【００４９】
図８は、ダングリングボンドの面密度ＤＤ（×１０１４／ｃｍ２）とスピン分極率Ｐの関係を示すグラフ（１００Ｋ）、図９は、ダングリングボンドの面密度ＤＤ（×１０１４／ｃｍ２）、スピン分極率Ｐ、アニール温度（℃）、室温スピン伝導の有無について示す図表である。
【００５０】
これらの図に示されるように、ダングリングボンドの面密度が３×１０１４／ｃｍ２以下となると、室温においてもスピン伝導が観察され、スピン分極率Ｐも急激に増加し、３×１０１４／ｃｍ２ではスピン分極率Ｐ＝０．３５を得ることができた。この場合の半導体層３のアニール温度は６００℃〜７００℃である。比較例では、アニール温度は５８０℃〜３００℃であるが、これらのダングリングボンドの面密度は３．９×１０１４／ｃｍ２以上であり、分極率Ｐも低いという結果になった。
【００５１】
ダングリングボンドが多いほど界面付近のポテンシャルの乱れが増加するものと考えられ、分極率Ｐは、ダングリングボンド密度に対して指数関数的に減衰することがわかった。また、ダングリングボンドのＥＳＲ測定によれば、界面の性質にはＭｇの影響は現れず、Ｓｉ−Ｏの結合が切れた状態とみなされる。従って、電子の散乱は、ＭｇＯ以外の材料であっても、同様にエピタキシャル成長を行う結晶であれば、同程度に生じるものと予想される。Ｓｉへのエピタキシャル成長によって、同程度の効果が得られる材料としては、結晶質のＺｎＯなどがある。
【００５２】
なお、典型的なデバイスから考えると、注入電子流１ｍＡにおいて、出力電圧Ｖ＝１ｍＶ以上が要求される。理論的には概ね出力電圧Ｖ＝Ｐ２×λＮ×ｉ×／σＳで与えられる。なお、第１及び第２強磁性金属層１，２の離間距離はスピン拡散長λＮより短い。例えば半導体層の抵抗率１／σ＝０．０１Ωｃｍ、スピンが流れるチャネルの断面積Ｓ＝１０μｍ×０．１μｍ＝１μｍ２、スピン拡散長λＮ＝１μｍ、印加電流ｉ＝１ｍＡを想定すると、このような場合、出力電圧Ｖ（１ｍＶ以上）は、０．１×Ｐ２に比例するものとすると、分極率Ｐは０．１以上が好ましいことになる。それに対応してダングリングボンド密度は３×１０１４／ｃｍ２以下となる。また、上記ダングリングボンドの面密度は低いほど好ましいと考えられるが、上記では、１×１０１４／ｃｍ２以上の場合に、分極率が高くなることが確認された。
【００５３】
なお、同様にスピン散乱が抑制されるという理由から、分極率Ｐは、半導体層側から、トンネル絶縁層を介して、強磁性金属層内に、スピンを注入する場合にも同様に向上する。
【００５４】
以上のように、半導体層としてＳｉ単結晶を用い、トンネル絶縁層としてＭｇＯを用いた場合には、１０％以上の分極率Ｐを得ることができ、最大で３５％の分極率Ｐを得ることができた。
【００５５】
図１０は、スピン素子２０を磁気センサとして含む磁気ヘッドの縦断面構造を示す図である。
【００５６】
この磁気センサ（スピン素子２０）は、磁気ヘッドＭＨに組み込まれている。磁気ヘッドＭＨは、ＡｌＴｉＣなどの支持基板ＳＳと、支持基板ＳＳ上に形成された一対の磁気シールド層ＳＨ１、ＳＨ２と、一対の磁気シールド層ＳＨ１、ＳＨ２間に配置されたスピン素子２０とを備えており、スピン素子２０は磁気記録媒体ＭＤＡの記憶領域からの磁場を検出する磁気センサとして機能する。磁気ヘッドＭＨは、ＳｉＯ２などの適当な絶縁層ＩＬを備えており、絶縁層ＩＬ内には磁気情報の書き込み素子３０が形成されている。書き込み素子３０は、磁気記録媒体ＭＤＡに磁気情報を書き込むことができる。なお、書き込み素子３０は、内部コイルに通電することで、磁場を発生する素子であり、従来から知られている。なお、スピン素子２０は、図１に示した半導体層３内に外部磁場を導入できるように配置すればよいが、本例では、電子流又はスピン流の流れる方向（Ｙ軸方向）が、磁気記録媒体ＭＤＡのトラック幅方向に一致するように設定されている。
【００５７】
上述のスピン素子２０を非局所構造の磁気センサとして用いる場合、図１に示したものを採用すればよく、半導体層３の表面上に形成された第１、２トンネル絶縁層Ｔ１，Ｔ２と、第１、２トンネル絶縁層Ｔ１，Ｔ２上に、それぞれ形成された強磁性金属層１，２と、半導体層３上に形成された一対の非磁性金属からなる電極１Ｍ,２Ｍとを備える。
【００５８】
上述のスピン素子２０を磁気抵抗効果型の磁気センサとして用いる場合、図１における電極１Ｍ，２Ｍは不要であり、磁気ヘッド内に組み込む場合の配置は、電子流の流れる方向（Ｙ軸方向）が、磁気記録媒体ＭＤＡのトラック幅方向に一致するように設定される。
【００５９】
上述の磁気センサは、分極率が高いため、高い精度で外部磁場を検出することが可能となる。
【００６０】
図１１は、上述のスピン素子２０を含むスピンＦＥＴの縦断面構造を示す図である。
【００６１】
このスピンＦＥＴ（ＴＲ）は、上述のスピン素子２０における主要部（基板１０、絶縁層１１、半導体層３、第１、２トンネル絶縁層Ｔ１，Ｔ２、強磁性金属層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。上述のトンネル絶縁層Ｔ１，Ｔ２は、それぞれ半導体層３のソース領域Ｄ及びドレイン領域Ｄ上に形成され、それぞれのトンネル絶縁層Ｔ１，Ｔ２上に、強磁性金属層１，２が形成されている。第１及び第２強磁性金属層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。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。また、第２強磁性金属層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。
【００６２】
以上のように、上記スピンＦＥＴは、半導体層３の表面上に形成されたトンネル絶縁層Ｔ１，Ｔ２と、トンネル絶縁層上に形成された強磁性金属層１，２とを備えているが、スピン分極率は高いため、フリー層の磁化方向に応じた高い精度で、スピンがフリー層内に流れ込むことができ、高精度の動作を行うことができる。
【符号の説明】
【００６３】
３・・・半導体層、Ｔ１，Ｔ２・・・トンネル絶縁層、１，２・・・強磁性金属層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶のＳｉからなる半導体層と、
前記半導体層の表面上に形成された結晶質の第１トンネル絶縁層と、
前記第１トンネル絶縁層上に形成された第１強磁性金属層と、
を備えたスピン素子であって、
前記半導体層と前記第１トンネル絶縁層との間の界面におけるダングリングボンドの面密度が３×１０１４／ｃｍ２以下であることを特徴とするスピン素子。
【請求項２】
前記ダングリングボンドの面密度が１×１０１４／ｃｍ２以上であることを特徴とする請求項１に記載のスピン素子。
【請求項３】
前記第１トンネル絶縁層はＭｇＯであることを特徴とする請求項１又は２に記載のスピン素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスピン素子と、
前記半導体層の表面上に形成された第２トンネル絶縁層と、
前記第２トンネル絶縁層上に形成された第２強磁性金属層と、
前記半導体層上に形成された一対の非磁性金属からなる電極と、
を備えることを特徴とする磁気センサ。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスピン素子と、
前記半導体層の表面上に形成された第２トンネル絶縁層と、
前記第２トンネル絶縁層上に形成された第２強磁性金属層と、
前記第１及び第２強磁性金属層間における前記半導体層の電位を制御するゲート電極と、
を備えることを特徴とするスピンＦＥＴ。
【請求項１】
単結晶のＳｉからなる半導体層と、
前記半導体層の表面上に形成された結晶質の第１トンネル絶縁層と、
前記第１トンネル絶縁層上に形成された第１強磁性金属層と、
を備えたスピン素子であって、
前記半導体層と前記第１トンネル絶縁層との間の界面におけるダングリングボンドの面密度が３×１０１４／ｃｍ２以下であることを特徴とするスピン素子。
【請求項２】
前記ダングリングボンドの面密度が１×１０１４／ｃｍ２以上であることを特徴とする請求項１に記載のスピン素子。
【請求項３】
前記第１トンネル絶縁層はＭｇＯであることを特徴とする請求項１又は２に記載のスピン素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスピン素子と、
前記半導体層の表面上に形成された第２トンネル絶縁層と、
前記第２トンネル絶縁層上に形成された第２強磁性金属層と、
前記半導体層上に形成された一対の非磁性金属からなる電極と、
を備えることを特徴とする磁気センサ。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスピン素子と、
前記半導体層の表面上に形成された第２トンネル絶縁層と、
前記第２トンネル絶縁層上に形成された第２強磁性金属層と、
前記第１及び第２強磁性金属層間における前記半導体層の電位を制御するゲート電極と、
を備えることを特徴とするスピンＦＥＴ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１９１０６３（Ｐ２０１２−１９１０６３Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５４５６４（Ｐ２０１１−５４５６４）
【出願日】平成２３年３月１１日（２０１１．３．１１）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１１日（２０１１．３．１１）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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