単結晶絶縁酸化鉄膜及びその作製方法
【課題】平滑面を有し、Ｎ２等により特性が劣化されていない、スピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子のコヒーレントトンネル機構でも高効率なスピン注入が可能な、安価で高品質の単結晶絶縁酸化鉄膜の作製方法を実現する。
【解決手段】真空槽３（３×１０−６Ｔｏｒｒ）内に置いた基板表面に、鉄成分が９９．９５％の金属鉄を蒸着するとともに、基板１に向けて酸化源であるオゾン成分が９０％以上のオゾンガスを前記基板表面に供給し、前記基板１（温度：２５０℃以下）の表面に、前記鉄を酸化しながら単結晶絶縁酸化鉄膜を成膜する。
【解決手段】真空槽３（３×１０−６Ｔｏｒｒ）内に置いた基板表面に、鉄成分が９９．９５％の金属鉄を蒸着するとともに、基板１に向けて酸化源であるオゾン成分が９０％以上のオゾンガスを前記基板表面に供給し、前記基板１（温度：２５０℃以下）の表面に、前記鉄を酸化しながら単結晶絶縁酸化鉄膜を成膜する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル磁気抵抗素子等に適用される単結晶絶縁酸化鉄膜及びその作製方法に関し、特にスピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子として利用可能なγ−Ｆｅ２Ｏ３ 及びその作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スピネル酸化鉄膜（ＭＦｅ２Ｏ４：Ｍ＝Ｆｅ以外の多くの遷移金属）は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunnel Magnetic Resistance）素子として適用できることが知られている。このトンネル磁気抵抗素子は、近年その用途として、高性能不揮発メモリーとして利用されるＭＲＡＭ（Magnetoresisive Random Access Memory）に適用可能なデバイスとして期待されている。
【０００３】
そして、トンネル磁気抵抗素子の一種であり、トンネル障壁として磁性半導体を採用したスピンフィルタ効果素子は、従来から知られており、特に、スピンフィルタ効果素子のトンネル障壁として、絶縁酸化鉄膜を適用したスピンフィルタ効果素子も従来知られている（非特許文献１、特許文献１参照）。これらの文献に記載された素子では、多結晶体のトンネル障壁（絶縁層）を仮定しており、障壁の高さのみに依存したスピントンネルが起きるものである。
【０００４】
また、従来型のトンネル磁気抵抗素子において、非晶質絶縁膜の代わりに単結晶絶縁膜を用いるとコヒーレントトンネル機構が現れ、磁気抵抗効果が増大することが知られている（非特許文献３参照）。
【０００５】
ところで、このような特性を有する絶縁酸化鉄膜（Ｆｅ３Ｏ４エピタキシャル膜）の作製方法としてＭＢＥ法がある。ＭＢＥ法（Molecular Beam Epitaxy: 分子線エピタキシャル成長法）によるＦｅ３Ｏ４エピタキシャル膜作製方法は、これまでに、次の２種類の方法が知られている。
【０００６】
（１）酸素原子供給法
鉄を加熱して蒸発し、これを基板に蒸着するとともに、酸化源として酸素プラズマを用いて酸化鉄被膜を形成する方法。
（２）ＮＯ２ガス供給法
鉄を加熱して蒸発し、これを基板に蒸着するとともに、酸化源として、ＮＯ２を用いて、酸化鉄被膜を形成する方法。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３９６７２
【非特許文献１】LeClair（Applied Physics Letters、 Vol. 80、 625(2002)）
【非特許文献２】Journal Of The Japan Institute of Metals 68 (2): 82-85 (2004))
【非特許文献３】Japanese Journal of Applied Physics Vol. 43、 L588-L590 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の絶縁強磁性体の作製方法おいては、例えば、特許文献１では、スパッタリングにより作製されたものであて、単結晶の被膜を形成することはできない。そして、従来の「酸素原子供給法」は、基板表面上に作製される絶縁強磁性体の被膜が結晶成長の際に、酸素プラズマの影響により、粗面となってしまうという問題がある。また、「ＮＯ２ガス供給法」は、絶縁強磁性体の被膜に窒素（Ｎ２）が残り、品質の劣化という問題が生じる。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題を解決することを目的とするものであり、その表面に平滑面（原子層単位での平滑な表面）を有し、Ｎ２等の他の原子が含まれず、劣化されていない、高品質で安価な単結晶絶縁酸化鉄膜の作製方法を実現することを課題とする。
【００１０】
さらに、本発明は、特許文献１等にも開示されていない、新規な構造の単結晶絶縁酸化鉄膜（δ＝１／３であるが、Ｍは空格子の構成）を実現することを課題とする。そして、特許文献１に示される従来のスピンフィルタ効果素子のような多結晶体のトンネル障壁（絶縁層）と異なり、単結晶膜の酸化鉄被膜をスピンフィルタ（トンネル障壁）として利用し、コヒーレントトンネル機構でも高効率なスピン注入が可能なスピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子を実現することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記課題を解決するために、真空槽内に置いた基板表面に、鉄を蒸着するとともに、基板に向けて酸化源であるガスを前記基板表面に供給し、前記基板表面に、前記鉄を酸化しながら単結晶絶縁酸化鉄膜を成膜する単結晶絶縁酸化鉄膜の作製方法であって、前記酸化源であるガスは、オゾンガスであることを特徴とする単結晶絶縁酸化鉄膜の作製方法を提供する。
【００１２】
前記鉄は鉄成分が９９．９５％の金属鉄であり、前記酸化源であるオゾンガスはオゾン成分が９０％以上の純オゾンであることが好ましい。
【００１３】
前記基板の温度は、２５０℃以下とし、前記真空槽の酸素圧力はオゾン導入時において３×１０−６Ｔｏｒｒ以上とすることが好ましい。
【００１４】
本発明は上記課題を解決するために、真空槽内に置かれた基板表面に、鉄が蒸着されるとともに、酸化源であるオゾンガスが前記基板表面に供給されて、前記基板表面に前記鉄が酸化されながら成膜されて成ることを特徴とする単結晶絶縁酸化鉄膜を提供する。
【００１５】
本発明は上記課題を解決するために、真空槽内に置かれた基板表面に、鉄が蒸着されるとともに、酸化源であるオゾンガスが前記基板表面に供給されて、前記基板表面に前記鉄が酸化されながら成膜されて成る単結晶絶縁酸化鉄膜であって、Ｆｅ３Ｏ４のスピネル構造にＦｅ欠陥が存在することを特徴とする単結晶絶縁酸化鉄膜を提供する。
【００１６】
前記単結晶絶縁酸化鉄膜は、少なくとも強磁性金属と非磁性金属との間に接合されて配置されスピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子のスピンフィルタとして利用可能である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜及びその作製方法によれば、次のような効果が生じる。（１）酸化源として酸素プラズマ源を利用する「プラズマ酸素供給法」と比べて、オゾン分子は、到達分子（原子）のエネルギーが低いために、基板表面に衝突して凹凸を形成するようなことがなく、より平滑な膜表面（原子層単位で平滑な表面）を得ることができる。
【００１８】
（２）酸化源としてオゾンガス（純オゾン）を用い、ＮＯ２等を使用せず、酸素以外の原子はないので、試料に不必要な元素が取り込まれたり、窒化したりといったプロセスは生じない。又、酸素プラズマ源による「プラズマ酸素供給法」と比べると、本発明で用いているオゾンの純度が高いため基板表面に供給されるほとんど全てのオゾン分子が高反応性である。このため、良質（組成が化学量論的に２：３、配向性が高い）γ−Ｆｅ２Ｏ３（マグヘマイト）相の単相単結晶薄膜が成長可能である。
【００１９】
（３）本発明の作製方法により得られた単結晶絶縁酸化鉄膜は、非常に高い絶縁性、高い強磁性常磁性転移温度を備えたものとなる。特に、強磁性常磁性転移温度については、単結晶絶縁酸化鉄膜をスピンフィルタ（トンネル障壁）としての利用を考えた場合、動作温度（室温）に比べてキューリー温度が遙かに高い必要がある。この点、本発明の単結晶絶縁酸化鉄膜材料の強磁性常磁性転移温度は、７４０〜１０２０Ｋであり、実用上、十分に高いキューリー温度である。
【００２０】
（４）本発明で得られる単結晶絶縁酸化鉄膜は、単結晶膜であるため、スピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子に適用した場合に、コヒーレントトンネル機構で、高効率なスピン注入を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜及びその作製方法を実施するための最良の形態について、その実施例を、図面を参照して、以下に説明する。
【実施例】
【００２２】
（作製方法）
図１は、本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜の作製方法の１つの実施例を説明する図である。この図１において、基板１の表面に、単結晶絶縁酸化鉄膜２を成膜する方法の詳細は次のとおりである。
【００２３】
単結晶絶縁酸化鉄膜２の原材料は、高純度（鉄成分が９９．９５％）の金属鉄（純鉄）を使用する。酸化源は、オゾンガスであり、このオゾンガスは純オゾン（オゾン成分が９０％以上）を使用する。基板１は、単結晶酸化マグネシウムをその結晶方位（００１）面で切り出した基板を使用する。
【００２４】
単結晶の（結晶方位のそろった）薄膜を成長させる場合、下地の結晶方位に影響されて成長するので、所望の面方位を持ち、かつその面の原子間隔が成長させようとしている材料のそれと、ある程度近いことが必要条件になる。本発明に係る方法で作製するマグヘマイト（あるいはマグネタイト）の場合は、ＭｇＯ（００１）面が丁度、酸化鉄スピネルのそれとよく適合するので、上記のとおり、単結晶酸化マグネシウムをその結晶方位（００１）面で切り出した基板を用いた。もちろん、基板として酸化マグネシウム以外の単結晶でも可能である。
【００２５】
真空槽３内において、原材料である鉄４はるつぼ５内に入れて、電子銃６の電子ビーム７を照射、加熱して蒸発させる。基板１は、単結晶絶縁酸化鉄膜２が成膜されるべき表面が鉄の蒸発面に対向するように、真空槽３内に置かれる（セットされる）。このような真空蒸着装置８の構成は、従来、周知である。しかし、本発明の特徴は、次のように、真空槽３内に酸化源としてのオゾンガスを導入し、このオゾンガスによって、基板１に蒸着した鉄を酸化する点にある。
【００２６】
即ち、オゾン源であるオゾン発生装置９に接続された配管１０及び可変リークバルブ１１により、オゾンガスを真空槽３に取り付けられたノズル１２に供給する。ノズル１２の噴射口は、真空槽３内において基板１に向けて配設されている。このようなノズル１２を用いて、オゾンガスを基板１に向けてオゾンビーム１３としてビーム状に導入する。
【００２７】
このように導入されたオゾンガスは、基板１の成膜されるべき表面に供給され、これにより、基板１の表面に対して、鉄の蒸気１４とオゾンが反応しながらγ−Ｆｅ２Ｏ３（マグヘマイト）相の単相単結晶薄膜が成長して、成膜される。なお、ここで、γ−Ｆｅ２Ｏ３はスピネル構造（Ｆｅ３Ｏ４）のＦｅ欠陥が存在した結晶構造であるため、Ｆｅ３−δＯ４と記述した場合、δ＝１／３と書くこともある。
【００２８】
基板１は、真空槽３内に設けたヒータ１５により加熱するが、その温度は、２５０℃以下とする。これ以上の高い温度であると、別の酸化鉄相（Ｆｅ３Ｏ４（マグネタイト））が形成される。又、真空槽３内の酸素圧力は、オゾン導入時において３×１０−６Ｔｏｒｒ以上とする。
【００２９】
なお、電子銃６により電子ビーム７の強度を制御して、鉄の蒸発量を制御する。これにより、基板表面の単結晶絶縁酸化鉄膜２の成長速度を制御し、０．０５Å／秒程度に成長速度を抑えながら成長させることが重要である。
【００３０】
以上のように本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜２の作製方法では、酸化源として、従来行われていなかった純オゾンを用いることを特徴としているものであり、プラズマ源として酸素原子を供給する酸素原子供給法に較べると、オゾン原子は運動エネルギーが酸素原子より低く、基板表面へ到達して衝突する力が弱いために、より平滑な膜表面（原子層単位で平滑な表面）を有するγ−Ｆｅ２Ｏ３（マグヘマイト）相の単相単結晶薄膜が成長可能である。
【００３１】
そして、基板表面に供給されるオゾンガスは、純オゾンのガスを利用するので、全てのオゾン分子が高反応性であり、しかも、「ＮＯ２ガス供給法」のように、酸化源としてＮＯ２を用いることがないので、成膜内に不必要な元素が取り込まれたり、窒化したりといったプロセスが生じない。このため、効率的な膜成長が生じ、しかも良質（組成が化学量論的に２：３、配向性や結晶性が高い等）な膜表面が得られる。
【００３２】
さらに、本発明の作製方法により得られた単結晶絶縁酸化鉄膜２は、非常に高い絶縁性、且つ、高い強磁性常磁性転移温度を備えたものとなる。特に、強磁性常磁性転移温度については、スピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子において、スピンフィルタとしての利用を考えた場合、動作温度（室温）に比べてキューリー温度が遙かに高い必要がある。この点、本発明の単結晶絶縁酸化鉄膜材料の強磁性常磁性転移温度は、７４０〜１０２０Ｋであり、実用上、十分に高いキューリー温度である。
【００３３】
（結晶構造）
以上の作製方法で得られたγ−Ｆｅ２Ｏ３の結晶構造（格子構造）について、以下に説明する。γ−Ｆｅ２Ｏ３についてＸ線回折（ＸＲＤ）による構造解析を行った。ＸＲＤは、物質固有の結晶構造を反映するため、前記作製手法で得られた薄膜の結晶構造を同定することが可能である。作製した薄膜は、スピネルであるＦｅ３Ｏ４（マグネタイト）であるか、あるいは、さらに酸化が進み１／３のＦｅが欠損した結晶構造を持つγ−Ｆｅ２Ｏ３であると考えられる。ＸＲＤを行うことにより、より結晶構造の対称性が低いγ−Ｆｅ２Ｏ３に固有の反射の有無を確認した。
【００３４】
その結果、図２に示すように、γ−Ｆｅ２Ｏ３固有のブラッグ（Bragg）反射である（０１２）反射がある特定の方向に結晶を向けた時のみ観測された。このことから前述作製方法で成長した酸化鉄薄膜が単結晶であることを確認できた。
【００３５】
また、γ−Ｆｅ２Ｏ３は、Ｆｅ３Ｏ４のＢサイト（スピネルの結晶構造において、酸素原子が作る８面体の中心部に配位したＦｅ位置）から１／３個のＦｅが抜けた構造であると考えられ、立方晶Ｆｅ３Ｏ４の３倍の単位胞を持つ超構造となって、このＦｅ欠陥に起因した超格子構造の観測が期待される。
【００３６】
そこで基本構造であるγ−Ｆｅ２Ｏ３の３倍構造による超格子反射を探索した。その結果、図３に超格子反射特性を示すように、 次の数１に示す結晶方位に沿って３倍周期の超格子反射が見つかった。このことは、Ｆｅ３Ｏ４のＢサイトにＦｅ欠陥が生じ、その欠陥は、３倍の超構造をもつ単位胞のある特定の位置（図４参照）を規則正しく占めていることを示している。
【数１】
【００３７】
また、面内方向にはこの３倍構造の反射は見られなかった。このことから、γＦｅ２Ｏ３がｃ〜３ａの 正方晶であり、かつｃ軸が成長方向に配向していることが明らかになった。そして、超格子反射の観測された逆格子点から、予想されるＦｅ欠陥位置のモデルである図４が得られた。
【００３８】
なお、Ｆｅ３Ｏ４のＡサイト、Ｂサイトについて簡単に説明すると、スピネル（例えば、Ｆｅ３Ｏ４）において、Ｆｅは酸素原子の４面体に囲まれた位置（Ａサイト）と８面体位置に囲まれた位置（Ｂサイト）の二つの独立した原子位置を持つ。それぞれ結晶中では１：２の割合で存在しており、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）の場合は、ＡサイトにＦｅ３＋が、ＢサイトにはＦｅ３＋ とＦｅ２＋が丁度半分ずつランダムに占める。
【００３９】
（用途）
本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜は、良好な絶縁特性を示すためスピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子として利用可能である。
【００４０】
図５（ａ）は従来型のトンネル磁気抵抗素子１６であり、第１の強磁性電極（例．ＣｏＦｅ２等）１７と第２の強磁性電極（Ｆｅ）１８の間に、非磁性絶縁体１９を設けた構造である。この構造では、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、非磁性絶縁体がトンネル障壁として作用している。
【００４１】
この構造で、従来知られているとおり、図５（ａ）の矢印に示すように、第１の強磁性電極１７と第２の強磁性電極１８のそれぞれが、互いに異なる方向に磁化すると、図５（ｃ）に示すように、両電極における↑、↓のスピンを持つ電子のフェルミレベルは逆となり、素子全体としての電気抵抗は大きくなり、電流が流れにくい（高抵抗状態）。
【００４２】
しかし第１の強磁性電極１７と第２の強磁性電極１８が、磁界等によって同じ方向に磁化すると、図５（ｂ）に示すように、両電極における↑、↓のスピンを持つ電子のフェルミレベルの状態は同じとなり、素子全体の電気抵抗は小さくなり電流が流れやすくなる（低抵抗状態）。
【００４３】
このような構造をもつＴＭＲ素子では、磁気抵抗比（ＭＲ）は二つの強磁性電極の伝導電子のスピン偏極度、すなわちスピン分極率Ｐで与えられ、ＭＲ＝２Ｐ１Ｐ２／（１−Ｐ１Ｐ２）となるが、比較的おおきなＰを持つことで知られＣｏＦｅのような強磁性体でもＰはたかだか０．５程度の大きさであるため、この機構を用いた場合の磁気抵抗変化率の上限はそれほど高くならない。
【００４４】
図６（ａ）は、本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜をスピンフィルタ（トンネル障壁）として利用したスピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子２０である。このスピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子２０は、直流電源の正極側に接続した強磁性金属電極２１と、負極側に接続した非磁性金属電極（例．Ａｕ等）２２との間に接合するように、本発明で作製した単結晶絶縁酸化鉄膜２３であるγ−Ｆｅ２Ｏ３を配置した構造である。
【００４５】
図６（ａ）に示すスピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子２０では、図６（ｂ）示すように、非磁性金属電極中では↑、↓のスピンを持つ電子は等量存在するためＰ＝０である。しかし、本発明で作製した単結晶絶縁酸化鉄膜２３であるγ−Ｆｅ２Ｏ３をトンネル障壁として用いた場合、これが強磁性体であることからエネルギー準位がスピンによって分裂する（スピン分裂）。このため↑と↓のスピンを持つ電子に対するトンネル障壁の高さが異なり、トンネル確率がスピン依存し、結果としてトンネル後の電子はスピン分極することになる（スピンフィルタ）。
【００４６】
この図６（ａ）に示す構造のスピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子２０では、本発明の作製方法で得られた単結晶絶縁酸化鉄膜２３がスピンフィルタ（トンネル障壁）として機能するが、図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、単結晶絶縁酸化鉄膜２３の↓スピン側のトンネル障壁は高くなり、一方↑スピン側のトンネル障壁は低い。
【００４７】
このため、トンネル確率の高い（トンネル効果の生じやすい）↑スピン電子が支配的となる（スピン分極）。さらにトンネル後の状態（図６（ｂ）、（ｃ）の右側に示す強磁性金属電極内の状態）は、図６（ｂ）の場合は、↑スピン状態が主であるためトンネル電流が多く流れて、低抵抗な状態が実現する。
【００４８】
なお、ここで「↑スピン状態が主である」としたのは、トンネル確率がスピン依存するため、↑スピンを持つ電子がこの場合トンネルし易くなっているわけであるが、実際には、↓スピンの電子も零でないトンネル確率を持っているため、１００％↑スピンを持つ電子だけがトンネルしてきているわけではないからである。
【００４９】
しかし、強磁性金属電極２１と単結晶絶縁酸化鉄膜２３が互いに異なる同じ方向に磁化されるように外部から磁界をかけると、図６（ｃ）に示すように、単結晶絶縁酸化鉄膜２３をトンネル障壁を抜ける電子は、↑スピンに強く偏極しているにもかかわらず、トンネル後の状態は、↓スピン状態が主であるためトンネル電流がほとんど流れず、高抵抗状態となる。
【００５０】
ところで、図６（ａ）に示す構造は、前記特許文献１や非特許文献１、２において検討されていることである。しかしながら、本発明で作製できる絶縁酸化鉄膜は単結晶であるため、前記非特許文献３で実現しているコヒーレントなトンネル効果、すなわちトンネル障壁をトンネルする際に電子がそのブロッホ運動量を保存したまま電極間の状態を移る効果が期待できる。この結果、より選択的に電子がトンネルし、スピンフィルタ効果が増大されて一段と大きなＭＲ（磁気抵抗比）が観測でき、より高い磁気抵抗変化率の得られる可能性がある。
【００５１】
通常観測されるトンネル現象では、トンネルする前後で電子の持つ運動量は保存されず、エネルギーのみが保存される。これは、トンネル過程での何らかの散乱が寄与していると考えられており、主に、その障壁の構造の乱れによるものと言われている。しかしながら、もし障壁層が単結晶であればこのような現象が現れる可能性が出てくる。
【００５２】
以上、本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜及びその作製方法を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
以上のとおりの本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜及びその作製方法によれば、平滑面を有し、Ｎ２等により特性が劣化されていない、安価で高品質の単結晶絶縁酸化鉄膜を得ることができるから、スピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子として、ＭＲＡＭ等に利用され、あるいは高性能なハードディスク等の記憶装置等の用途に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜の作製方法の実施例を説明する図である。
【図２】本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜であるγＦｅ２Ｏ３ のブラッグ反射を示す図である。
【図３】本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜であるγＦｅ２Ｏ３ の超格子反射を示す図である。
【図４】本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜の結晶構造を示す図である。
【図５】従来型のトンネル磁気抵抗素子を説明する図である。
【図６】本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜をトンネル障壁として利用したスピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子を説明する図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ 基板
２ 単結晶絶縁酸化鉄膜
３ 真空槽
４ 原材料である鉄
５ るつぼ
６ 電子銃
７ 電子ビーム
８ 真空蒸着装置
９ オゾン発生装置
１０ 配管
１１ 可変リークバルブ
１２ ノズル
１３ オゾンビーム
１４ 鉄の蒸気
１５ ヒータ
１６ 従来型のトンネル磁気抵抗素子
１７ 第１の強磁性電極
１８ 強磁性電極
１９ 非磁性絶縁体
２０ スピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子
２１ 強磁性金属電極
２２ 非磁性金属電極
２３ 単結晶絶縁酸化鉄膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル磁気抵抗素子等に適用される単結晶絶縁酸化鉄膜及びその作製方法に関し、特にスピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子として利用可能なγ−Ｆｅ２Ｏ３ 及びその作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スピネル酸化鉄膜（ＭＦｅ２Ｏ４：Ｍ＝Ｆｅ以外の多くの遷移金属）は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunnel Magnetic Resistance）素子として適用できることが知られている。このトンネル磁気抵抗素子は、近年その用途として、高性能不揮発メモリーとして利用されるＭＲＡＭ（Magnetoresisive Random Access Memory）に適用可能なデバイスとして期待されている。
【０００３】
そして、トンネル磁気抵抗素子の一種であり、トンネル障壁として磁性半導体を採用したスピンフィルタ効果素子は、従来から知られており、特に、スピンフィルタ効果素子のトンネル障壁として、絶縁酸化鉄膜を適用したスピンフィルタ効果素子も従来知られている（非特許文献１、特許文献１参照）。これらの文献に記載された素子では、多結晶体のトンネル障壁（絶縁層）を仮定しており、障壁の高さのみに依存したスピントンネルが起きるものである。
【０００４】
また、従来型のトンネル磁気抵抗素子において、非晶質絶縁膜の代わりに単結晶絶縁膜を用いるとコヒーレントトンネル機構が現れ、磁気抵抗効果が増大することが知られている（非特許文献３参照）。
【０００５】
ところで、このような特性を有する絶縁酸化鉄膜（Ｆｅ３Ｏ４エピタキシャル膜）の作製方法としてＭＢＥ法がある。ＭＢＥ法（Molecular Beam Epitaxy: 分子線エピタキシャル成長法）によるＦｅ３Ｏ４エピタキシャル膜作製方法は、これまでに、次の２種類の方法が知られている。
【０００６】
（１）酸素原子供給法
鉄を加熱して蒸発し、これを基板に蒸着するとともに、酸化源として酸素プラズマを用いて酸化鉄被膜を形成する方法。
（２）ＮＯ２ガス供給法
鉄を加熱して蒸発し、これを基板に蒸着するとともに、酸化源として、ＮＯ２を用いて、酸化鉄被膜を形成する方法。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３９６７２
【非特許文献１】LeClair（Applied Physics Letters、 Vol. 80、 625(2002)）
【非特許文献２】Journal Of The Japan Institute of Metals 68 (2): 82-85 (2004))
【非特許文献３】Japanese Journal of Applied Physics Vol. 43、 L588-L590 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の絶縁強磁性体の作製方法おいては、例えば、特許文献１では、スパッタリングにより作製されたものであて、単結晶の被膜を形成することはできない。そして、従来の「酸素原子供給法」は、基板表面上に作製される絶縁強磁性体の被膜が結晶成長の際に、酸素プラズマの影響により、粗面となってしまうという問題がある。また、「ＮＯ２ガス供給法」は、絶縁強磁性体の被膜に窒素（Ｎ２）が残り、品質の劣化という問題が生じる。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題を解決することを目的とするものであり、その表面に平滑面（原子層単位での平滑な表面）を有し、Ｎ２等の他の原子が含まれず、劣化されていない、高品質で安価な単結晶絶縁酸化鉄膜の作製方法を実現することを課題とする。
【００１０】
さらに、本発明は、特許文献１等にも開示されていない、新規な構造の単結晶絶縁酸化鉄膜（δ＝１／３であるが、Ｍは空格子の構成）を実現することを課題とする。そして、特許文献１に示される従来のスピンフィルタ効果素子のような多結晶体のトンネル障壁（絶縁層）と異なり、単結晶膜の酸化鉄被膜をスピンフィルタ（トンネル障壁）として利用し、コヒーレントトンネル機構でも高効率なスピン注入が可能なスピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子を実現することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記課題を解決するために、真空槽内に置いた基板表面に、鉄を蒸着するとともに、基板に向けて酸化源であるガスを前記基板表面に供給し、前記基板表面に、前記鉄を酸化しながら単結晶絶縁酸化鉄膜を成膜する単結晶絶縁酸化鉄膜の作製方法であって、前記酸化源であるガスは、オゾンガスであることを特徴とする単結晶絶縁酸化鉄膜の作製方法を提供する。
【００１２】
前記鉄は鉄成分が９９．９５％の金属鉄であり、前記酸化源であるオゾンガスはオゾン成分が９０％以上の純オゾンであることが好ましい。
【００１３】
前記基板の温度は、２５０℃以下とし、前記真空槽の酸素圧力はオゾン導入時において３×１０−６Ｔｏｒｒ以上とすることが好ましい。
【００１４】
本発明は上記課題を解決するために、真空槽内に置かれた基板表面に、鉄が蒸着されるとともに、酸化源であるオゾンガスが前記基板表面に供給されて、前記基板表面に前記鉄が酸化されながら成膜されて成ることを特徴とする単結晶絶縁酸化鉄膜を提供する。
【００１５】
本発明は上記課題を解決するために、真空槽内に置かれた基板表面に、鉄が蒸着されるとともに、酸化源であるオゾンガスが前記基板表面に供給されて、前記基板表面に前記鉄が酸化されながら成膜されて成る単結晶絶縁酸化鉄膜であって、Ｆｅ３Ｏ４のスピネル構造にＦｅ欠陥が存在することを特徴とする単結晶絶縁酸化鉄膜を提供する。
【００１６】
前記単結晶絶縁酸化鉄膜は、少なくとも強磁性金属と非磁性金属との間に接合されて配置されスピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子のスピンフィルタとして利用可能である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜及びその作製方法によれば、次のような効果が生じる。（１）酸化源として酸素プラズマ源を利用する「プラズマ酸素供給法」と比べて、オゾン分子は、到達分子（原子）のエネルギーが低いために、基板表面に衝突して凹凸を形成するようなことがなく、より平滑な膜表面（原子層単位で平滑な表面）を得ることができる。
【００１８】
（２）酸化源としてオゾンガス（純オゾン）を用い、ＮＯ２等を使用せず、酸素以外の原子はないので、試料に不必要な元素が取り込まれたり、窒化したりといったプロセスは生じない。又、酸素プラズマ源による「プラズマ酸素供給法」と比べると、本発明で用いているオゾンの純度が高いため基板表面に供給されるほとんど全てのオゾン分子が高反応性である。このため、良質（組成が化学量論的に２：３、配向性が高い）γ−Ｆｅ２Ｏ３（マグヘマイト）相の単相単結晶薄膜が成長可能である。
【００１９】
（３）本発明の作製方法により得られた単結晶絶縁酸化鉄膜は、非常に高い絶縁性、高い強磁性常磁性転移温度を備えたものとなる。特に、強磁性常磁性転移温度については、単結晶絶縁酸化鉄膜をスピンフィルタ（トンネル障壁）としての利用を考えた場合、動作温度（室温）に比べてキューリー温度が遙かに高い必要がある。この点、本発明の単結晶絶縁酸化鉄膜材料の強磁性常磁性転移温度は、７４０〜１０２０Ｋであり、実用上、十分に高いキューリー温度である。
【００２０】
（４）本発明で得られる単結晶絶縁酸化鉄膜は、単結晶膜であるため、スピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子に適用した場合に、コヒーレントトンネル機構で、高効率なスピン注入を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜及びその作製方法を実施するための最良の形態について、その実施例を、図面を参照して、以下に説明する。
【実施例】
【００２２】
（作製方法）
図１は、本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜の作製方法の１つの実施例を説明する図である。この図１において、基板１の表面に、単結晶絶縁酸化鉄膜２を成膜する方法の詳細は次のとおりである。
【００２３】
単結晶絶縁酸化鉄膜２の原材料は、高純度（鉄成分が９９．９５％）の金属鉄（純鉄）を使用する。酸化源は、オゾンガスであり、このオゾンガスは純オゾン（オゾン成分が９０％以上）を使用する。基板１は、単結晶酸化マグネシウムをその結晶方位（００１）面で切り出した基板を使用する。
【００２４】
単結晶の（結晶方位のそろった）薄膜を成長させる場合、下地の結晶方位に影響されて成長するので、所望の面方位を持ち、かつその面の原子間隔が成長させようとしている材料のそれと、ある程度近いことが必要条件になる。本発明に係る方法で作製するマグヘマイト（あるいはマグネタイト）の場合は、ＭｇＯ（００１）面が丁度、酸化鉄スピネルのそれとよく適合するので、上記のとおり、単結晶酸化マグネシウムをその結晶方位（００１）面で切り出した基板を用いた。もちろん、基板として酸化マグネシウム以外の単結晶でも可能である。
【００２５】
真空槽３内において、原材料である鉄４はるつぼ５内に入れて、電子銃６の電子ビーム７を照射、加熱して蒸発させる。基板１は、単結晶絶縁酸化鉄膜２が成膜されるべき表面が鉄の蒸発面に対向するように、真空槽３内に置かれる（セットされる）。このような真空蒸着装置８の構成は、従来、周知である。しかし、本発明の特徴は、次のように、真空槽３内に酸化源としてのオゾンガスを導入し、このオゾンガスによって、基板１に蒸着した鉄を酸化する点にある。
【００２６】
即ち、オゾン源であるオゾン発生装置９に接続された配管１０及び可変リークバルブ１１により、オゾンガスを真空槽３に取り付けられたノズル１２に供給する。ノズル１２の噴射口は、真空槽３内において基板１に向けて配設されている。このようなノズル１２を用いて、オゾンガスを基板１に向けてオゾンビーム１３としてビーム状に導入する。
【００２７】
このように導入されたオゾンガスは、基板１の成膜されるべき表面に供給され、これにより、基板１の表面に対して、鉄の蒸気１４とオゾンが反応しながらγ−Ｆｅ２Ｏ３（マグヘマイト）相の単相単結晶薄膜が成長して、成膜される。なお、ここで、γ−Ｆｅ２Ｏ３はスピネル構造（Ｆｅ３Ｏ４）のＦｅ欠陥が存在した結晶構造であるため、Ｆｅ３−δＯ４と記述した場合、δ＝１／３と書くこともある。
【００２８】
基板１は、真空槽３内に設けたヒータ１５により加熱するが、その温度は、２５０℃以下とする。これ以上の高い温度であると、別の酸化鉄相（Ｆｅ３Ｏ４（マグネタイト））が形成される。又、真空槽３内の酸素圧力は、オゾン導入時において３×１０−６Ｔｏｒｒ以上とする。
【００２９】
なお、電子銃６により電子ビーム７の強度を制御して、鉄の蒸発量を制御する。これにより、基板表面の単結晶絶縁酸化鉄膜２の成長速度を制御し、０．０５Å／秒程度に成長速度を抑えながら成長させることが重要である。
【００３０】
以上のように本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜２の作製方法では、酸化源として、従来行われていなかった純オゾンを用いることを特徴としているものであり、プラズマ源として酸素原子を供給する酸素原子供給法に較べると、オゾン原子は運動エネルギーが酸素原子より低く、基板表面へ到達して衝突する力が弱いために、より平滑な膜表面（原子層単位で平滑な表面）を有するγ−Ｆｅ２Ｏ３（マグヘマイト）相の単相単結晶薄膜が成長可能である。
【００３１】
そして、基板表面に供給されるオゾンガスは、純オゾンのガスを利用するので、全てのオゾン分子が高反応性であり、しかも、「ＮＯ２ガス供給法」のように、酸化源としてＮＯ２を用いることがないので、成膜内に不必要な元素が取り込まれたり、窒化したりといったプロセスが生じない。このため、効率的な膜成長が生じ、しかも良質（組成が化学量論的に２：３、配向性や結晶性が高い等）な膜表面が得られる。
【００３２】
さらに、本発明の作製方法により得られた単結晶絶縁酸化鉄膜２は、非常に高い絶縁性、且つ、高い強磁性常磁性転移温度を備えたものとなる。特に、強磁性常磁性転移温度については、スピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子において、スピンフィルタとしての利用を考えた場合、動作温度（室温）に比べてキューリー温度が遙かに高い必要がある。この点、本発明の単結晶絶縁酸化鉄膜材料の強磁性常磁性転移温度は、７４０〜１０２０Ｋであり、実用上、十分に高いキューリー温度である。
【００３３】
（結晶構造）
以上の作製方法で得られたγ−Ｆｅ２Ｏ３の結晶構造（格子構造）について、以下に説明する。γ−Ｆｅ２Ｏ３についてＸ線回折（ＸＲＤ）による構造解析を行った。ＸＲＤは、物質固有の結晶構造を反映するため、前記作製手法で得られた薄膜の結晶構造を同定することが可能である。作製した薄膜は、スピネルであるＦｅ３Ｏ４（マグネタイト）であるか、あるいは、さらに酸化が進み１／３のＦｅが欠損した結晶構造を持つγ−Ｆｅ２Ｏ３であると考えられる。ＸＲＤを行うことにより、より結晶構造の対称性が低いγ−Ｆｅ２Ｏ３に固有の反射の有無を確認した。
【００３４】
その結果、図２に示すように、γ−Ｆｅ２Ｏ３固有のブラッグ（Bragg）反射である（０１２）反射がある特定の方向に結晶を向けた時のみ観測された。このことから前述作製方法で成長した酸化鉄薄膜が単結晶であることを確認できた。
【００３５】
また、γ−Ｆｅ２Ｏ３は、Ｆｅ３Ｏ４のＢサイト（スピネルの結晶構造において、酸素原子が作る８面体の中心部に配位したＦｅ位置）から１／３個のＦｅが抜けた構造であると考えられ、立方晶Ｆｅ３Ｏ４の３倍の単位胞を持つ超構造となって、このＦｅ欠陥に起因した超格子構造の観測が期待される。
【００３６】
そこで基本構造であるγ−Ｆｅ２Ｏ３の３倍構造による超格子反射を探索した。その結果、図３に超格子反射特性を示すように、 次の数１に示す結晶方位に沿って３倍周期の超格子反射が見つかった。このことは、Ｆｅ３Ｏ４のＢサイトにＦｅ欠陥が生じ、その欠陥は、３倍の超構造をもつ単位胞のある特定の位置（図４参照）を規則正しく占めていることを示している。
【数１】
【００３７】
また、面内方向にはこの３倍構造の反射は見られなかった。このことから、γＦｅ２Ｏ３がｃ〜３ａの 正方晶であり、かつｃ軸が成長方向に配向していることが明らかになった。そして、超格子反射の観測された逆格子点から、予想されるＦｅ欠陥位置のモデルである図４が得られた。
【００３８】
なお、Ｆｅ３Ｏ４のＡサイト、Ｂサイトについて簡単に説明すると、スピネル（例えば、Ｆｅ３Ｏ４）において、Ｆｅは酸素原子の４面体に囲まれた位置（Ａサイト）と８面体位置に囲まれた位置（Ｂサイト）の二つの独立した原子位置を持つ。それぞれ結晶中では１：２の割合で存在しており、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）の場合は、ＡサイトにＦｅ３＋が、ＢサイトにはＦｅ３＋ とＦｅ２＋が丁度半分ずつランダムに占める。
【００３９】
（用途）
本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜は、良好な絶縁特性を示すためスピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子として利用可能である。
【００４０】
図５（ａ）は従来型のトンネル磁気抵抗素子１６であり、第１の強磁性電極（例．ＣｏＦｅ２等）１７と第２の強磁性電極（Ｆｅ）１８の間に、非磁性絶縁体１９を設けた構造である。この構造では、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、非磁性絶縁体がトンネル障壁として作用している。
【００４１】
この構造で、従来知られているとおり、図５（ａ）の矢印に示すように、第１の強磁性電極１７と第２の強磁性電極１８のそれぞれが、互いに異なる方向に磁化すると、図５（ｃ）に示すように、両電極における↑、↓のスピンを持つ電子のフェルミレベルは逆となり、素子全体としての電気抵抗は大きくなり、電流が流れにくい（高抵抗状態）。
【００４２】
しかし第１の強磁性電極１７と第２の強磁性電極１８が、磁界等によって同じ方向に磁化すると、図５（ｂ）に示すように、両電極における↑、↓のスピンを持つ電子のフェルミレベルの状態は同じとなり、素子全体の電気抵抗は小さくなり電流が流れやすくなる（低抵抗状態）。
【００４３】
このような構造をもつＴＭＲ素子では、磁気抵抗比（ＭＲ）は二つの強磁性電極の伝導電子のスピン偏極度、すなわちスピン分極率Ｐで与えられ、ＭＲ＝２Ｐ１Ｐ２／（１−Ｐ１Ｐ２）となるが、比較的おおきなＰを持つことで知られＣｏＦｅのような強磁性体でもＰはたかだか０．５程度の大きさであるため、この機構を用いた場合の磁気抵抗変化率の上限はそれほど高くならない。
【００４４】
図６（ａ）は、本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜をスピンフィルタ（トンネル障壁）として利用したスピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子２０である。このスピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子２０は、直流電源の正極側に接続した強磁性金属電極２１と、負極側に接続した非磁性金属電極（例．Ａｕ等）２２との間に接合するように、本発明で作製した単結晶絶縁酸化鉄膜２３であるγ−Ｆｅ２Ｏ３を配置した構造である。
【００４５】
図６（ａ）に示すスピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子２０では、図６（ｂ）示すように、非磁性金属電極中では↑、↓のスピンを持つ電子は等量存在するためＰ＝０である。しかし、本発明で作製した単結晶絶縁酸化鉄膜２３であるγ−Ｆｅ２Ｏ３をトンネル障壁として用いた場合、これが強磁性体であることからエネルギー準位がスピンによって分裂する（スピン分裂）。このため↑と↓のスピンを持つ電子に対するトンネル障壁の高さが異なり、トンネル確率がスピン依存し、結果としてトンネル後の電子はスピン分極することになる（スピンフィルタ）。
【００４６】
この図６（ａ）に示す構造のスピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子２０では、本発明の作製方法で得られた単結晶絶縁酸化鉄膜２３がスピンフィルタ（トンネル障壁）として機能するが、図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、単結晶絶縁酸化鉄膜２３の↓スピン側のトンネル障壁は高くなり、一方↑スピン側のトンネル障壁は低い。
【００４７】
このため、トンネル確率の高い（トンネル効果の生じやすい）↑スピン電子が支配的となる（スピン分極）。さらにトンネル後の状態（図６（ｂ）、（ｃ）の右側に示す強磁性金属電極内の状態）は、図６（ｂ）の場合は、↑スピン状態が主であるためトンネル電流が多く流れて、低抵抗な状態が実現する。
【００４８】
なお、ここで「↑スピン状態が主である」としたのは、トンネル確率がスピン依存するため、↑スピンを持つ電子がこの場合トンネルし易くなっているわけであるが、実際には、↓スピンの電子も零でないトンネル確率を持っているため、１００％↑スピンを持つ電子だけがトンネルしてきているわけではないからである。
【００４９】
しかし、強磁性金属電極２１と単結晶絶縁酸化鉄膜２３が互いに異なる同じ方向に磁化されるように外部から磁界をかけると、図６（ｃ）に示すように、単結晶絶縁酸化鉄膜２３をトンネル障壁を抜ける電子は、↑スピンに強く偏極しているにもかかわらず、トンネル後の状態は、↓スピン状態が主であるためトンネル電流がほとんど流れず、高抵抗状態となる。
【００５０】
ところで、図６（ａ）に示す構造は、前記特許文献１や非特許文献１、２において検討されていることである。しかしながら、本発明で作製できる絶縁酸化鉄膜は単結晶であるため、前記非特許文献３で実現しているコヒーレントなトンネル効果、すなわちトンネル障壁をトンネルする際に電子がそのブロッホ運動量を保存したまま電極間の状態を移る効果が期待できる。この結果、より選択的に電子がトンネルし、スピンフィルタ効果が増大されて一段と大きなＭＲ（磁気抵抗比）が観測でき、より高い磁気抵抗変化率の得られる可能性がある。
【００５１】
通常観測されるトンネル現象では、トンネルする前後で電子の持つ運動量は保存されず、エネルギーのみが保存される。これは、トンネル過程での何らかの散乱が寄与していると考えられており、主に、その障壁の構造の乱れによるものと言われている。しかしながら、もし障壁層が単結晶であればこのような現象が現れる可能性が出てくる。
【００５２】
以上、本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜及びその作製方法を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
以上のとおりの本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜及びその作製方法によれば、平滑面を有し、Ｎ２等により特性が劣化されていない、安価で高品質の単結晶絶縁酸化鉄膜を得ることができるから、スピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子として、ＭＲＡＭ等に利用され、あるいは高性能なハードディスク等の記憶装置等の用途に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜の作製方法の実施例を説明する図である。
【図２】本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜であるγＦｅ２Ｏ３ のブラッグ反射を示す図である。
【図３】本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜であるγＦｅ２Ｏ３ の超格子反射を示す図である。
【図４】本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜の結晶構造を示す図である。
【図５】従来型のトンネル磁気抵抗素子を説明する図である。
【図６】本発明に係る単結晶絶縁酸化鉄膜をトンネル障壁として利用したスピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子を説明する図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ 基板
２ 単結晶絶縁酸化鉄膜
３ 真空槽
４ 原材料である鉄
５ るつぼ
６ 電子銃
７ 電子ビーム
８ 真空蒸着装置
９ オゾン発生装置
１０ 配管
１１ 可変リークバルブ
１２ ノズル
１３ オゾンビーム
１４ 鉄の蒸気
１５ ヒータ
１６ 従来型のトンネル磁気抵抗素子
１７ 第１の強磁性電極
１８ 強磁性電極
１９ 非磁性絶縁体
２０ スピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子
２１ 強磁性金属電極
２２ 非磁性金属電極
２３ 単結晶絶縁酸化鉄膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空槽内に置いた基板表面に、鉄を蒸着するとともに、基板に向けて酸化源であるガスを前記基板表面に供給し、前記基板表面に、前記鉄を酸化しながら単結晶絶縁酸化鉄膜を成膜する単結晶絶縁酸化鉄膜の作製方法であって、
前記酸化源であるガスは、オゾンガスであることを特徴とする単結晶絶縁酸化鉄膜の作製方法。
【請求項２】
前記鉄は鉄成分が９９．９５％の金属鉄であり、前記酸化源であるオゾンガスはオゾン成分が９０％以上の純オゾンであることを特徴とする請求項１記載の単結晶絶縁酸化鉄膜の作製方法。
【請求項３】
前記基板の温度は、２５０℃以下とし、前記真空槽の酸素圧力はオゾン導入時において３×１０−６Ｔｏｒｒ以上とすることを特徴とする請求項１又は２記載の単結晶絶縁酸化鉄膜の作製方法。
【請求項４】
真空槽内に置かれた基板表面に、鉄が蒸着されるとともに、酸化源であるオゾンガスが前記基板表面に供給されて、前記基板の表面に前記鉄が酸化されながら成膜されて成ることを特徴とする単結晶絶縁酸化鉄膜。
【請求項５】
真空槽内に置かれた基板表面に、鉄が蒸着されるとともに、酸化源であるオゾンガスが前記基板表面に供給されて、前記基板表面に前記鉄が酸化されながら成膜されて成る単結晶絶縁酸化鉄膜であって、Ｆｅ３Ｏ４のスピネル構造にＦｅ欠陥が存在することを特徴とする単結晶絶縁酸化鉄膜。
【請求項６】
前記単結晶絶縁酸化鉄膜は、少なくとも強磁性金属と非磁性金属との間に接合されて配置されスピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子のスピンフィルタとして利用されるものであることを特徴とする請求項４又は５記載の単結晶絶縁酸化鉄膜。
【請求項１】
真空槽内に置いた基板表面に、鉄を蒸着するとともに、基板に向けて酸化源であるガスを前記基板表面に供給し、前記基板表面に、前記鉄を酸化しながら単結晶絶縁酸化鉄膜を成膜する単結晶絶縁酸化鉄膜の作製方法であって、
前記酸化源であるガスは、オゾンガスであることを特徴とする単結晶絶縁酸化鉄膜の作製方法。
【請求項２】
前記鉄は鉄成分が９９．９５％の金属鉄であり、前記酸化源であるオゾンガスはオゾン成分が９０％以上の純オゾンであることを特徴とする請求項１記載の単結晶絶縁酸化鉄膜の作製方法。
【請求項３】
前記基板の温度は、２５０℃以下とし、前記真空槽の酸素圧力はオゾン導入時において３×１０−６Ｔｏｒｒ以上とすることを特徴とする請求項１又は２記載の単結晶絶縁酸化鉄膜の作製方法。
【請求項４】
真空槽内に置かれた基板表面に、鉄が蒸着されるとともに、酸化源であるオゾンガスが前記基板表面に供給されて、前記基板の表面に前記鉄が酸化されながら成膜されて成ることを特徴とする単結晶絶縁酸化鉄膜。
【請求項５】
真空槽内に置かれた基板表面に、鉄が蒸着されるとともに、酸化源であるオゾンガスが前記基板表面に供給されて、前記基板表面に前記鉄が酸化されながら成膜されて成る単結晶絶縁酸化鉄膜であって、Ｆｅ３Ｏ４のスピネル構造にＦｅ欠陥が存在することを特徴とする単結晶絶縁酸化鉄膜。
【請求項６】
前記単結晶絶縁酸化鉄膜は、少なくとも強磁性金属と非磁性金属との間に接合されて配置されスピンフィルタ型トンネル磁気抵抗素子のスピンフィルタとして利用されるものであることを特徴とする請求項４又は５記載の単結晶絶縁酸化鉄膜。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図４】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図４】
【公開番号】特開２００６−３２７９２０（Ｐ２００６−３２７９２０Ａ）
【公開日】平成１８年１２月７日（２００６．１２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１５８２１１（Ｐ２００５−１５８２１１）
【出願日】平成１７年５月３０日（２００５．５．３０）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００５年３月４日 社団法人日本物理学会発行の「日本物理学会講演概要集 第６０巻 第１号（第６０回年次大会）第３分冊」に発表
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１２月７日（２００６．１２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月３０日（２００５．５．３０）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００５年３月４日 社団法人日本物理学会発行の「日本物理学会講演概要集 第６０巻 第１号（第６０回年次大会）第３分冊」に発表
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【Ｆターム（参考）】
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