強磁性積層構造及びその製造方法
【課題】良好な界面特性をもつ強磁性薄膜、絶縁性薄膜、及び化合物半導体からなる強磁性積層構造を得る。
【解決手段】この磁性体積層構造１０においては、化合物半導体１上に絶縁性薄膜２及び強磁性薄膜３が順次形成されている。絶縁性薄膜２は、蛍石型構造をもつフッ化化合物からなる。強磁性薄膜３は、Ｆｅ又はＦｅＣｏ合金からなる強磁性体である。この強磁性積層構造１０は、強磁性薄膜３から絶縁性薄膜２を通して化合物半導体１にスピン偏極電子が注入されて使用される。例えば、この強磁性積層構造１０をスピンＬＥＤに用い、化合物半導体１を発光層としても用いることができる。この場合には、この構造における各界面の結晶欠陥が少ないために、スピン偏極電子の発光層への高い注入効率が得られるため、高効率のスピンＬＥＤを得ることができる。
【解決手段】この磁性体積層構造１０においては、化合物半導体１上に絶縁性薄膜２及び強磁性薄膜３が順次形成されている。絶縁性薄膜２は、蛍石型構造をもつフッ化化合物からなる。強磁性薄膜３は、Ｆｅ又はＦｅＣｏ合金からなる強磁性体である。この強磁性積層構造１０は、強磁性薄膜３から絶縁性薄膜２を通して化合物半導体１にスピン偏極電子が注入されて使用される。例えば、この強磁性積層構造１０をスピンＬＥＤに用い、化合物半導体１を発光層としても用いることができる。この場合には、この構造における各界面の結晶欠陥が少ないために、スピン偏極電子の発光層への高い注入効率が得られるため、高効率のスピンＬＥＤを得ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強磁性薄膜、絶縁性薄膜、及び化合物半導体からなり、スピンエレクトロニクスデバイスに用いられる強磁性積層構造及びその製造方法に関する。
【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。
【０００３】
例えば、ＭｇＯ（１００）単結晶基板上にＦｅ（１００）薄膜とＭｇＯ（１００）薄膜とＦｅ（１００）薄膜が順次形成された単結晶積層構造（以下、Ｆｅ／ＭｇＯ／Ｆｅと呼称）では、強磁性体であるＦｅ中のスピン方向に依存してＭｇＯ薄膜中を流れるトンネル電流が大きく変化する、いわゆる巨大トンネル磁気抵抗効果が生ずることが非特許文献１及び２に記載されている。特にこの構造においては、各層は単結晶であるため、Ｆｅ／ＭｇＯ薄膜界面及びＭｇＯ薄膜／Ｆｅ界面の状態が巨大トンネル磁気抵抗効果に大きな影響を与える。つまり、巨大トンネル磁気抵抗効果を発現するためには、界面における格子のミスマッチを小さくして結晶欠陥を少なくし、Ｆｅのハーフメタリックな電子軌道を充分に機能させることが必要となる。
【０００４】
また、強磁性薄膜、絶縁性薄膜、及び半導体からなる強磁性積層構造を用いたデバイスも提案されている。例えば、非特許文献３では、ＣｏＦｅ／ＭｇＯ／ＧａＡｓの積層構造を用い、化合物半導体であるＧａＡｓへ強磁性体であるＣｏＦｅからスピン偏極した電子を注入し、この電子を正孔と再結合させることにより、円偏光の光を発光するスピンＬＥＤが提案されている。このデバイスにおいては、ＭｇＯ／ＧａＡｓ界面におけるスピン偏極した電子の注入効率が高いことが必要になる。非特許文献３にて報告されている注入効率は３２％であり、まだ改善の余地があるため、更にこの効率を高めることが期待されている。この注入効率を高くするためには、スピン偏極された電子がこの界面で散乱される確率を減少させることが必要である。このためには、やはりその界面の結晶欠陥を減少させることが必要であり、特にこの界面の格子のミスマッチを低減させることが必要になる。
【０００５】
従って、スピンエレクトロニクスデバイスにおいて用いられる強磁性積層構造においては、界面における格子のミスマッチを低減させることが、デバイスの特性を向上させる上で重要となる。
【０００６】
一方、ＣａＦ２はＧａＡｓの良好なパッシベーション膜となることが非特許文献４に記載されている。従って、例えば上記のＭｇＯの代わりに、ＣａＦ２を絶縁性薄膜として用いることにより、良好な絶縁性薄膜／ＧａＡｓ界面の形成が期待される。
【０００７】
【非特許文献１】Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ４３、Ｌ５８８（２００４）
【非特許文献２】Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ、６３、０５４４１６（２００１）
【非特許文献３】Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ、９４、０５６６０１（２００５）
【非特許文献４】Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ、 １１７／１１８、ｐ４４３〜ｐ４４６（１９９７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記の強磁性薄膜、絶縁性薄膜、及び半導体からなる積層構造を用いたデバイスにおいて、上記のＦｅ／ＭｇＯ／ＧａＡｓ積層構造の場合、通常は基板となるＧａＡｓの結晶面としては（１００）面が用いられる。この場合には、エピタキシャル成長により、この上に（１００）面配向したＭｇＯ及び（１００）面配向したＦｅが得られる。この際、Ｆｅ／ＭｇＯ界面においては、Ｆｅの（１００）面における［１１０］方向とＭｇＯの（１００）面における［１００］方向が平行となる。この界面における格子のミスマッチは−３．８％程度であるため、良好である。しかしながら、ＭｇＯ／ＧａＡｓ界面においては、ＭｇＯの（１００）面における［１００］方向とＧａＡｓの（１００）面における［１００］方向が平行になる。この界面における格子のミスマッチは−２５．４％と前記の場合と比べて大きい。従って、この構造においては、ＭｇＯ／ＧａＡｓ界面の結晶欠陥が多いため、スピン偏極電子の高い注入効率を得ることはできなかった。
【０００９】
一方、ＣａＦ２／ＧａＡｓ界面においては、前記の通り、良好な界面を形成できると期待される。しかしながら、この場合には、ＧａＡｓ上のＣａＦ２上に更にＦｅを成長させ、これらの結晶面方位を制御して良好な界面特性を得る方法は知られていない。従って、この構造をもち、良好な界面特性をもつ強磁性積層構造は得られていなかった。
【００１０】
従って、良好な界面特性をもつ強磁性薄膜、絶縁性薄膜、及び化合物半導体からなる強磁性積層構造を得ることは困難であった。
【００１１】
本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明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】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の強磁性積層構造は、化合物半導体、絶縁性薄膜、及び強磁性薄膜が順次積層された強磁性積層構造であって、前記化合物半導体はＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、またはこれらの混晶であり、前記絶縁性薄膜は蛍石型構造のフッ化化合物からなり、前記強磁性薄膜はＦｅまたはＦｅＣｏ合金からなることを特徴とする。
また、この強磁性積層構造は、前記強磁性薄膜から前記絶縁性薄膜を通して前記化合物半導体にスピン偏極電子が注入されて使用されることを特徴とする。
また、この強磁性積層構造において、前記フッ化化合物はＣａＦ２、ＳｒＦ２のいずれかあるいはこれらの混合物であることを特徴とする。
また、この強磁性積層構造は、前記化合物半導体の（１００）面上に前記絶縁性薄膜及び前記強磁性薄膜が順次積層されたことを特徴とする。
また、この強磁性積層構造において、前記絶縁性薄膜の厚さが０．８〜５．０ｎｍの範囲であることを特徴とする。
本発明の強磁性積層構造の製造方法は、前記強磁性積層構造を製造する製造方法であって、前記化合物半導体上に真空中で前記絶縁性薄膜及び前記強磁性薄膜を連続して形成し、前記強磁性薄膜を形成する際の基板温度を４００℃以上とすることを特徴とする。
また、この強磁性積層構造の製造方法において、前記絶縁性薄膜及び前記強磁性薄膜の形成は、スパッタリング法によって行うことを特徴とする。
また、この強磁性積層構造の製造方法において、前記絶縁性薄膜及び前記強磁性薄膜の形成は、電子ビーム蒸着法によって行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は以上のように構成されているので、良好な界面特性をもつ強磁性薄膜、絶縁性薄膜、及び化合物半導体からなる強磁性積層構造を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明について具体的な実施形態を示しながら説明する。ただし、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【００１５】
図１は本発明の実施の形態に係る強磁性積層構造１０の断面図である。この強磁性積層構造１０においては、化合物半導体１上に絶縁性薄膜２及び強磁性薄膜３が順次形成されている。この強磁性積層構造１０は、強磁性薄膜３から絶縁性薄膜２を通して化合物半導体１にスピン偏極電子が注入されて使用される。例えば、この強磁性積層構造１０をスピンＬＥＤに用い、化合物半導体１を発光層としても用いることができる。この場合には、この構造における各界面の結晶欠陥が少ないために、スピン偏極電子の発光層への高い注入効率が得られるため、高効率のスピンＬＥＤを得ることができる。なお、スピンＬＥＤ以外にも、化合物半導体１においてこのスピン偏極電子を利用する各種のデバイス、例えば、スピンＦＥＴや逆スピンホール効果（スピン流誘起スピンホール効果）を用いる磁気センサーなどにおいても同様に、この強磁性積層構造１０を用いることができることは明らかである。
【００１６】
ここで、化合物半導体１は、ＧａＡｓ又はＩｎＡｓ単結晶からなる（１００）基板であり、絶縁性薄膜２はこれらの（１００）面上に形成される。なお、化合物半導体１の厚さは任意である。なお、これらはエピタキシャル成長した基板、バルク半導体基板のいずれであってもよい。また、ＧａＡｓとＩｎＡｓの混晶を同様に化合物半導体１として用いてもよい。
【００１７】
絶縁性薄膜２は、蛍石型構造をもつフッ化化合物からなる。具体的には、蛍石型構造をもつＣａＦ２又はＳｒＦ２が好ましい。その成膜法としては、一般的に薄膜形成に用いられるスパッタリング法、電子ビーム蒸着法、抵抗加熱蒸着法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等を用いることができる。この絶縁性薄膜２は化合物半導体１上にエピタキシャル成長し、その結晶配向面は化合物半導体１と同様に（１００）面となる。その厚さは例えば０．８ｎｍ〜２０ｎｍとすることができるが、特に５ｎｍ以下であることが、強磁性薄膜３の結晶配向性を向上させる上で好ましい。なお、この絶縁性薄膜２をＣａＦ２、ＳｒＦ２のどちらにするかは、化合物半導体１の種類（ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、及びこれらの混晶）に応じて、界面の格子のミスマッチを小さくするべく選択することができる。
【００１８】
強磁性薄膜３は、Ｆｅ又はＦｅＣｏ合金からなる強磁性体である。その厚さは例えば５０ｎｍとすることができる。その成膜法としては、絶縁性薄膜２と同様にスパッタリング法、電子ビーム蒸着法、抵抗加熱蒸着法、ＭＢＥ法を用いることができる。特に、強磁性薄膜３の成膜においては、絶縁性薄膜２を成膜した直後に真空中で連続して成膜することが好ましい（なお、ここでいう真空とは上記成膜法における真空度での雰囲気を意味する）。また、その成膜温度は４００℃以上とすることが、強磁性薄膜３をエピタキシャル成長させる上で好ましい。
【００１９】
以下に、この構造が好ましい理由につき説明する。まず、非特許文献３に記載のＭｇＯ／ＧａＡｓ積層構造において、ＭｇＯの（１００）面における［１１０］方位とＧａＡｓの（１００）面における［１００］方位とが一致した場合には、格子のミスマッチは５．５％程度と小さくなる。すなわち、ＭｇＯの（１００）面とＧａＡｓの（１００）面の間ではミスマッチの小さい接合界面が得られるとも考えられる。しかしながら、実際にはミスマッチの小さい接合界面は得られていない。
【００２０】
これは、ＧａＡｓの（１００）面には極性があることに起因する。すなわち、III−Ｖ属化合物半導体であるＧａＡｓの（１００）面は、III属元素（Ｇａ）のみ、あるいはＶ属元素（Ａｓ）のみからなる。これに対して、ＭｇＯの（１００）面においては、その結晶構造が異なるため、陽イオン（Ｍｇイオン）と陰イオン（Ｏイオン）とが混在する。従って、ＭｇＯの（１００）面がＧａＡｓの（１００）面上に積層された場合には、電荷の補償ができないため、実際にはこれらが整合した構造は形成されにくい。従って、実際にＭｇＯをＧａＡｓの（１００）面上に成長させた場合には、ＭｇＯの（１００）面における［１００］方位とＧａＡｓの（１００）面における［１００］方位とが平行となった構造として形成される。この場合の格子のミスマッチは前記の通り、−２５．４％と大きな値となる。従って、この界面には多くの結晶欠陥が発生する。
【００２１】
これに対して、本発明における絶縁性薄膜２となる蛍石型構造のフッ化化合物においては、その（１００）面はＧａＡｓと同様に、単一元素から構成される。従って、格子定数が化合物半導体１と合致すれば、絶縁性薄膜２の（１００）面を化合物半導体１の（１００）面上に格子のミスマッチが小さくなる方位で成長させることができる。すなわち、絶縁性薄膜２／化合物半導体１の界面の結晶欠陥を少なくすることができる。
【００２２】
更に、この構造の絶縁性薄膜２上には、Ｆｅ又はＦｅＣｏからなる強磁性薄膜３をエピタキシャル成長させることができる。従って、強磁性薄膜３／絶縁性薄膜２界面における結晶欠陥も少なくすることができる。これは、特に強磁性薄膜３の成膜時の基板温度を４００℃以上とした場合に顕著となる。また、絶縁性薄膜２の厚さを５ｎｍ以下と薄くした場合には、特に強磁性薄膜３のロッキングカーブ半値幅を小さくすることができるため、特に結晶配向性の良好な、結晶欠陥の少ない強磁性積層構造となる。絶縁性薄膜２の厚さが薄い方が好ましい特性が得られることは、特に絶縁性薄膜２をトンネル絶縁膜として使用する上では好ましい。
【００２３】
従って、図１の構造の強磁性積層構造においては、絶縁性薄膜２／化合物半導体１、強磁性薄膜３／絶縁性薄膜２のどちらの界面における結晶欠陥も少なくすることができ、良好な界面特性が得られる。従って、強磁性薄膜３から注入されるスピン偏極電子の界面における散乱を抑制することができ、高い電子注入効率をもった強磁性積層構造となる。これを用いて、例えば高効率のスピンＬＥＤ等、各種のスピントロニクスデバイスを得ることができる。
【００２４】
（実施例１）
本発明の実施例（実施例１）として、化合物半導体１としてＧａＡｓの（１００）単結晶基板、絶縁性薄膜２として蛍石構造のＳｒＦ２、強磁性薄膜３としてＦｅを用いた強磁性積層構造１０（Ｆｅ／ＳｒＦ２／ＧａＡｓ構造）を製造し、その特性を調べた。
【００２５】
まず、ＧａＡｓ（１００）基板を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を用いて除去した。その後、このＧａＡｓ基板上にスパッタリング法によって厚さ２０ｎｍのＳｒＦ２層、及び厚さ５０ｎｍのＦｅ層を連続して形成した。ＳｒＦ２層を形成する際には、ＳｒＦ２ターゲットを用い、基板温度４００℃、Ａｒガス圧０．５Ｐａでスパッタリングを行った。Ｆｅ層を形成する際には、Ｆｅターゲットを用い、基板温度４００℃、Ａｒガス圧０．２Ｐａでスパッタリングを行った。なお、この実施例１とは別に、参考のためにＳｒＦ２層のみを形成し、Ｆｅ層を形成しない試料も作成した。
【００２６】
図２は、これらの試料のＸ線回折（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）パターンを測定した結果であり、各ピークには対応する各物質の面方位が記してある。ここで、試料Ａは前記のＦｅ層を形成しなかった試料であり、試料Ｂが実施例１となる、Ｆｅ層まで形成した試料である。すなわち、試料ＡにおいてはＳｒＦ２層の結果が強く現れており、試料Ｂにおいては、Ｆｅ層の結果が強く現れている。
【００２７】
図２における試料Ａの結果より、ＳｒＦ２層が蛍石型構造の（２００）方向に配向し、試料Ｂの結果から、Ｆｅ層も（２００）配向していることが確認できる。
【００２８】
更に、試料Ｂについて、Ｘ線回折のｉｎ−ｐｌａｎｅ測定を行った結果を図３に示す。図３において、（ａ）はＧａＡｓの（０２２）面、（ｂ）はＳｒＦ２の（０２２）面、（ｃ）はＦｅの（００２）面に対するそれぞれの極図形である。どの極図形も明確な４回対称性を示していることから、ＳｒＦ２層及びＦｅ層は、それぞれエピタキシャル成長膜である。
【００２９】
また、（ａ）のＧａＡｓの（０２２）回折ピークと（ｂ）のＳｒＦ２の（０２２）回折ピークの角度差とブラッグ角の差から求まるそれぞれの面のなす角はほぼ零となることから、ＧａＡｓの（０２２）面とＳｒＦ２の（０２２）面はほぼ平行であることがわかる。すなわち、ＳｒＦ２／ＧａＡｓ界面においては、ＳｒＦ２の（１００）面における［１００］方向とＧａＡｓの（１００）面における［１００］方向とが平行に配列されている。
【００３０】
また、（ｂ）のＳｒＦ２の（０２２）回折ピークと（ｃ）のＦｅの（００２）回折ピークの角度差とブラッグ角の差から求まるそれぞれの面のなす角はほぼ４５°となる。従って、Ｆｅ／ＳｒＦ２界面における面内方向の原子配列は、Ｆｅの（１００）面における［１００］方向とＳｒＦ２の（１００）面における［１００］方向とが平行に配列されている。
【００３１】
次に、これらの界面での格子のミスマッチを試料ＡとＢのｉｎ−ｐｌａｎｅの対称測定を行うことにより調べた。その結果が図４である。この結果におけるピーク間距離がこのミスマッチに対応する。この結果より、試料ＡにおけるＳｒＦ２とＧａＡｓ間のミスマッチは２．４％と小さな値となっている。また、試料ＢにおけるＦｅのピークから、ＦｅとＳｒＦ２間のミスマッチは−０．９％と極めて小さくなっている。
【００３２】
従って、実施例１においては、化合物半導体１であるＧａＡｓ上に絶縁性薄膜２である蛍石型構造のＳｒＦ２、さらにその上に強磁性薄膜３であるＦｅがそれぞれエピタキシャル成長しており、これらの界面における格子ミスマッチが小さな値であることが確認できる。すなわち、上記の通り、この構造によって界面の結晶欠陥が少ない強磁性積層構造が実現できている。
【００３３】
（比較例１）
同様にして、比較例１として、Ｆｅ／ＭｇＯ／ＧａＡｓ構造を作成し、その特性を調べた。
【００３４】
ここでは、前記と同様のＧａＡｓ（１００）基板上に同様の処理を施した後、厚さ２０ｎｍのＭｇＯ、厚さ５０ｎｍのＦｅをスパッタリング法によって形成した。ここで、ＭｇＯの成膜は基板温度４００℃、Ａｒガス圧０．２Ｐａで行った。Ｆｅの成膜は室温にてＡｒガス圧０．２Ｐａで行った。
【００３５】
図５に、比較例１のＸ線回折（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）パターンを測定した結果を示す。この結果より、この場合のＭｇＯは（２００）配向であり、Ｆｅが（２００）配向であることが確認できる。
【００３６】
図６に、比較例１について、図３同様にｉｎ−ｐｌａｎｅ測定を行った結果を示す。図６において、（ａ）はＧａＡｓの（０２２）面、（ｂ）はＭｇＯの（００２）面、（ｃ）はＦｅの（００２）面に対するそれぞれの極図形である。ここで、（ｂ）については強度を１０倍に拡大している。どの極図形も明確な４回対称性を示していることから、ＭｇＯ層及びＦｅ層は、それぞれエピタキシャル成長膜である。
【００３７】
また、（ａ）のＧａＡｓの（０２２）回折ピークと（ｂ）のＭｇＯの（００２）回折ピークの角度差とブラッグ角の差から求まるそれぞれの面のなす角はほぼ４５°となる。従って、ＭｇＯ／ＧａＡｓ界面においては、ＭｇＯの（１００）面における［１００］方向とＧａＡｓの（１００）面における［１００］方向とが平行に配列されている。
【００３８】
同様に、（ｂ）のＭｇＯの（００２）回折ピークと（ｃ）のＦｅの（００２）回折ピークの角度差とブラッグ角の差から求まるそれぞれの面のなす角もほぼ４５°となる。従って、Ｆｅ／ＭｇＯ界面における面内方向の原子配列は、Ｆｅの（１００）面における［１００］方向とＭｇＯの（１００）面における［１００］方向とのなす角がほぼ４５°となっている。
【００３９】
次に、これらの界面での格子のミスマッチをｉｎ−ｐｌａｎｅの対称測定を行うことにより調べた。その結果が図７である。ピーク間の距離が図４と比べて明らかに大きく、この結果から、ＭｇＯとＧａＡｓ間のミスマッチは−２５．４％と極めて大きい。また、ＦｅとＭｇＯ間のミスマッチは−３．８％となり、前述のＭｇＯとＧａＡｓ間の値より小さいものの、実施例１と比べると大きい。すなわち、比較例１においては、絶縁性薄膜及び強磁性薄膜を化合物半導体上にエピタキシャル成長させることはできたが、各界面のミスマッチは実施例１と比べて大きい。この理由は前記の通りである。
【００４０】
（比較例２、３）
同様に、実施例１と同様の構造（Ｆｅ／ＳｒＦ２／ＧａＡｓ構造）を、Ｆｅの成膜を室温で行って作成した場合（比較例２）、２００℃で行って作成した場合（比較例３）について調べた。これらの比較例におけるその他の作成条件、各膜厚は実施例１と同様である。
【００４１】
比較例２、比較例３のＸ線回折（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）結果を実施例１（試料Ｂ）と同時に示したのが図８である。この結果より、実施例１ではＦｅの（２００）面のピークが見られたのに対して、比較例２、３ではいずれもこのピークが見られない。すなわち、Ｆｅの成膜温度が４００℃であった実施例１に対して、これよりも低い成膜温度でＦｅを成膜した比較例２、３ではＦｅの（２００）配向が得られない、すなわち、エピタキシャル成長が行われないことがわかる。従って、強磁性薄膜３の成膜時の基板温度を４００℃以上とすることにより、エピタキシャル成長した強磁性積層構造が得られる。
【００４２】
（実施例２〜５、比較例４〜７）
次に、実施例２〜５として、実施例１と同様の構造、製造方法によって、ＳｒＦ２の膜厚を０．８ｎｍ（実施例２）、１．０ｎｍ（実施例３）、２．５ｎｍ（実施例４）、５．０ｎｍ（実施例５）とした試料をそれぞれ作成した。
【００４３】
また、比較例４〜７として、前記の比較例１と同様の構造（Ｆｅ／ＭｇＯ／ＧａＡｓ構造）、製造方法において、ＭｇＯの膜厚を０．８ｎｍ（比較例４）、１．０ｎｍ（比較例５）、２．５ｎｍ（比較例６）、５．０ｎｍ（比較例７）とした試料をそれぞれ作成した。
【００４４】
実施例１〜５、比較例１、４〜７の試料について、Ｘ線回折（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）測定を行い、Ｆｅ（２００）面に対するロッキングカーブの半値幅を求めた。その絶縁性薄膜（ＳｒＦ２又はＭｇＯ）の膜厚依存性を調べた結果が図９である。この結果より、この半値幅の膜厚依存性においては、実施例では膜厚が小さくなるに従って半値幅が小さくなり、比較例では膜厚が小さくなるに従ってやや半値幅が大きくなる。すなわち、実施例と比較例では逆の傾向が見られる。これにより、特にＳｒＦ２の膜厚が５ｎｍ以下と薄い場合に特にこの半値幅が小さくなることが確認できる。すなわち、ＳｒＦ２の膜厚が５ｎｍ以下と薄い場合には、前記の通りに界面の結晶欠陥が少ないことに加えて、特に結晶配向性の高いＦｅ層（強磁性薄膜）をその上に形成することができる。従って、トンネル絶縁膜として特に好ましい、５ｎｍ以下と薄いＳｒＦ２を絶縁性薄膜２として用いる場合に、強磁性薄膜３にも特に好ましい特性が得られる。すなわち、絶縁性薄膜２の厚さが０．８〜５ｎｍの場合に特に良好な特性が得られることが確認された。
【００４５】
（実施例６）
次に、実施例６として、化合物半導体１をＩｎＡｓとした場合に同様の構造を同様に作成した。ここで、ＩｎＡｓは、ＧａＡｓ（１００）基板上に予めエピタキシャル成長したＩｎＡｓを用いた。更に、この実施例では絶縁性薄膜２（ＳｒＦ２）、強磁性薄膜３（Ｆｅ）をスパッタリング法ではなく、電子ビーム蒸着法で成膜した。この電子ビーム蒸着は分子線エピタキシー成膜装置の中で行われ、２．５ｎｍの厚さのＳｒＦ２が基板温度３００℃で、その後５０ｎｍの厚さのＦｅが基板温度４００℃で成膜された。なお、ＳｒＦ２の蒸着源にはＳｒＦ２の単結晶を用いた。
【００４６】
この試料の作成時の各段階で、分子線エピタキシー成膜装置中で、反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）パターンを測定した結果を図１０に示す。この測定においては、ＩｎＡｓの［１１０］方向から電子を入射させており、上からＩｎＡｓ表面（ＳｒＦ２成膜直前）、ＳｒＦ２表面（Ｆｅ成膜直前）、Ｆｅ表面のＲＨＥＥＤパターンを示す。このパターンの周期性が保たれていることから、ＳｒＦ２、Ｆｅはエピタキシャル成長していることがわかる。
【００４７】
また、製造後の実施例６のＸ線回折（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）測定結果が図１１である。Ｆｅ（２００）面の強いピークが現れており、Ｆｅ層が実施例１〜５と同様に強く（２００）配向していることが確認できる。また、界面のミスマッチに起因する結晶欠陥も、実施例１〜５と同様に少ないことが確認できた。従って、化合物半導体１としてＧａＡｓを用いた場合のみならず、ＩｎＡｓを用いた場合においても、同様に良好な特性の強磁性積層構造１０を得ることができる。
【００４８】
なお、上記の実施例においては、化合物半導体１としてはＧａＡｓ、ＩｎＡｓのいずれかが用いられていたが、これに限られるものではない。例えばこれらの混晶であるＧａ１−ｘＩｎｘＡｓはこれらと同じ結晶形であり、格子定数がこれらの間の連続的な値をとるため、これを用いた場合でも同様に良好な特性の強磁性積層構造１０を得ることができる。
【００４９】
また、上記の実施例においてはフッ化化合物である絶縁性薄膜２としてＳｒＦ２が用いられていたが、これに限られるものではない。ＳｒＦ２と同様の結晶構造（蛍石型構造）と、これに近い格子定数をもつ他のフッ化化合物、例えばＣａＦ２も同様に用いることができる。また、化合物半導体１と絶縁性薄膜２の選択においては、これらの界面における格子のミスマッチが最小となるべくこれらを選択することが可能である。例えば、化合物半導体１となるＧａ１−ｘＩｎｘＡｓにおけるｘの値、絶縁性薄膜２としてＳｒＦ２、ＣａＦ２のどちらを用いるか等を適宜選択することができる。また、ＳｒＦ２、ＣａＦ２の混合物を用いることもできる。この場合にはこれらの混合物からなるターゲット、あるいは各々の材料からなる２種類のターゲットを用いてスパッタリングによって絶縁性薄膜２を成膜してもよい。
【００５０】
また、上記のいずれの実施例においても強磁性薄膜３としてＦｅが用いられていたが、同様の特性・構造をもつＦｅＣｏ合金も同様に用いることができる。
【００５１】
その他、強磁性薄膜３の厚さ等も、上記の範囲に限定されず、任意である。その他の諸条件も、本発明の要旨を逸脱しない範囲で任意である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態に係る強磁性積層構造の断面図である。
【図２】実施例１のＸ線回折（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）測定結果である。
【図３】実施例１のＸ線回折（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）測定において、極点測定を（ａ）ＧａＡｓの（０２２）面、（ｂ）ＳｒＦ２の（０２２）面、（ｃ）Ｆｅの（００２）面に対して行った結果である。
【図４】実施例１のＸ線回折（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）対称測定結果である。
【図５】比較例１のＸ線回折（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）測定結果である。
【図６】比較例１のＸ線回折（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）測定において、極点測定を（ａ）ＧａＡｓの（０２２）面、（ｂ）ＭｇＯの（００２）面、（ｃ）Ｆｅの（００２）面に対して行った結果である。
【図７】比較例１のＸ線回折（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）対称測定結果である。
【図８】比較例２、３のＸ線回折（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）測定結果である。
【図９】実施例１〜５、比較例１、４〜７におけるＦｅ（２００）面のロッキングカーブ半値幅の絶縁性薄膜膜厚依存性を示す図である。
【図１０】実施例６におけるＩｎＡｓ、ＳｒＦ２、Ｆｅ表面の反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）パターンである。
【図１１】実施例６におけるＸ線回折（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）測定結果である。
【符号の説明】
【００５３】
１ 化合物半導体
２ 絶縁性薄膜
３ 強磁性薄膜
１０ 強磁性積層構造
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強磁性薄膜、絶縁性薄膜、及び化合物半導体からなり、スピンエレクトロニクスデバイスに用いられる強磁性積層構造及びその製造方法に関する。
【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。
【０００３】
例えば、ＭｇＯ（１００）単結晶基板上にＦｅ（１００）薄膜とＭｇＯ（１００）薄膜とＦｅ（１００）薄膜が順次形成された単結晶積層構造（以下、Ｆｅ／ＭｇＯ／Ｆｅと呼称）では、強磁性体であるＦｅ中のスピン方向に依存してＭｇＯ薄膜中を流れるトンネル電流が大きく変化する、いわゆる巨大トンネル磁気抵抗効果が生ずることが非特許文献１及び２に記載されている。特にこの構造においては、各層は単結晶であるため、Ｆｅ／ＭｇＯ薄膜界面及びＭｇＯ薄膜／Ｆｅ界面の状態が巨大トンネル磁気抵抗効果に大きな影響を与える。つまり、巨大トンネル磁気抵抗効果を発現するためには、界面における格子のミスマッチを小さくして結晶欠陥を少なくし、Ｆｅのハーフメタリックな電子軌道を充分に機能させることが必要となる。
【０００４】
また、強磁性薄膜、絶縁性薄膜、及び半導体からなる強磁性積層構造を用いたデバイスも提案されている。例えば、非特許文献３では、ＣｏＦｅ／ＭｇＯ／ＧａＡｓの積層構造を用い、化合物半導体であるＧａＡｓへ強磁性体であるＣｏＦｅからスピン偏極した電子を注入し、この電子を正孔と再結合させることにより、円偏光の光を発光するスピンＬＥＤが提案されている。このデバイスにおいては、ＭｇＯ／ＧａＡｓ界面におけるスピン偏極した電子の注入効率が高いことが必要になる。非特許文献３にて報告されている注入効率は３２％であり、まだ改善の余地があるため、更にこの効率を高めることが期待されている。この注入効率を高くするためには、スピン偏極された電子がこの界面で散乱される確率を減少させることが必要である。このためには、やはりその界面の結晶欠陥を減少させることが必要であり、特にこの界面の格子のミスマッチを低減させることが必要になる。
【０００５】
従って、スピンエレクトロニクスデバイスにおいて用いられる強磁性積層構造においては、界面における格子のミスマッチを低減させることが、デバイスの特性を向上させる上で重要となる。
【０００６】
一方、ＣａＦ２はＧａＡｓの良好なパッシベーション膜となることが非特許文献４に記載されている。従って、例えば上記のＭｇＯの代わりに、ＣａＦ２を絶縁性薄膜として用いることにより、良好な絶縁性薄膜／ＧａＡｓ界面の形成が期待される。
【０００７】
【非特許文献１】Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ４３、Ｌ５８８（２００４）
【非特許文献２】Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ、６３、０５４４１６（２００１）
【非特許文献３】Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ、９４、０５６６０１（２００５）
【非特許文献４】Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ、 １１７／１１８、ｐ４４３〜ｐ４４６（１９９７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記の強磁性薄膜、絶縁性薄膜、及び半導体からなる積層構造を用いたデバイスにおいて、上記のＦｅ／ＭｇＯ／ＧａＡｓ積層構造の場合、通常は基板となるＧａＡｓの結晶面としては（１００）面が用いられる。この場合には、エピタキシャル成長により、この上に（１００）面配向したＭｇＯ及び（１００）面配向したＦｅが得られる。この際、Ｆｅ／ＭｇＯ界面においては、Ｆｅの（１００）面における［１１０］方向とＭｇＯの（１００）面における［１００］方向が平行となる。この界面における格子のミスマッチは−３．８％程度であるため、良好である。しかしながら、ＭｇＯ／ＧａＡｓ界面においては、ＭｇＯの（１００）面における［１００］方向とＧａＡｓの（１００）面における［１００］方向が平行になる。この界面における格子のミスマッチは−２５．４％と前記の場合と比べて大きい。従って、この構造においては、ＭｇＯ／ＧａＡｓ界面の結晶欠陥が多いため、スピン偏極電子の高い注入効率を得ることはできなかった。
【０００９】
一方、ＣａＦ２／ＧａＡｓ界面においては、前記の通り、良好な界面を形成できると期待される。しかしながら、この場合には、ＧａＡｓ上のＣａＦ２上に更にＦｅを成長させ、これらの結晶面方位を制御して良好な界面特性を得る方法は知られていない。従って、この構造をもち、良好な界面特性をもつ強磁性積層構造は得られていなかった。
【００１０】
従って、良好な界面特性をもつ強磁性薄膜、絶縁性薄膜、及び化合物半導体からなる強磁性積層構造を得ることは困難であった。
【００１１】
本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明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】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の強磁性積層構造は、化合物半導体、絶縁性薄膜、及び強磁性薄膜が順次積層された強磁性積層構造であって、前記化合物半導体はＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、またはこれらの混晶であり、前記絶縁性薄膜は蛍石型構造のフッ化化合物からなり、前記強磁性薄膜はＦｅまたはＦｅＣｏ合金からなることを特徴とする。
また、この強磁性積層構造は、前記強磁性薄膜から前記絶縁性薄膜を通して前記化合物半導体にスピン偏極電子が注入されて使用されることを特徴とする。
また、この強磁性積層構造において、前記フッ化化合物はＣａＦ２、ＳｒＦ２のいずれかあるいはこれらの混合物であることを特徴とする。
また、この強磁性積層構造は、前記化合物半導体の（１００）面上に前記絶縁性薄膜及び前記強磁性薄膜が順次積層されたことを特徴とする。
また、この強磁性積層構造において、前記絶縁性薄膜の厚さが０．８〜５．０ｎｍの範囲であることを特徴とする。
本発明の強磁性積層構造の製造方法は、前記強磁性積層構造を製造する製造方法であって、前記化合物半導体上に真空中で前記絶縁性薄膜及び前記強磁性薄膜を連続して形成し、前記強磁性薄膜を形成する際の基板温度を４００℃以上とすることを特徴とする。
また、この強磁性積層構造の製造方法において、前記絶縁性薄膜及び前記強磁性薄膜の形成は、スパッタリング法によって行うことを特徴とする。
また、この強磁性積層構造の製造方法において、前記絶縁性薄膜及び前記強磁性薄膜の形成は、電子ビーム蒸着法によって行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は以上のように構成されているので、良好な界面特性をもつ強磁性薄膜、絶縁性薄膜、及び化合物半導体からなる強磁性積層構造を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明について具体的な実施形態を示しながら説明する。ただし、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【００１５】
図１は本発明の実施の形態に係る強磁性積層構造１０の断面図である。この強磁性積層構造１０においては、化合物半導体１上に絶縁性薄膜２及び強磁性薄膜３が順次形成されている。この強磁性積層構造１０は、強磁性薄膜３から絶縁性薄膜２を通して化合物半導体１にスピン偏極電子が注入されて使用される。例えば、この強磁性積層構造１０をスピンＬＥＤに用い、化合物半導体１を発光層としても用いることができる。この場合には、この構造における各界面の結晶欠陥が少ないために、スピン偏極電子の発光層への高い注入効率が得られるため、高効率のスピンＬＥＤを得ることができる。なお、スピンＬＥＤ以外にも、化合物半導体１においてこのスピン偏極電子を利用する各種のデバイス、例えば、スピンＦＥＴや逆スピンホール効果（スピン流誘起スピンホール効果）を用いる磁気センサーなどにおいても同様に、この強磁性積層構造１０を用いることができることは明らかである。
【００１６】
ここで、化合物半導体１は、ＧａＡｓ又はＩｎＡｓ単結晶からなる（１００）基板であり、絶縁性薄膜２はこれらの（１００）面上に形成される。なお、化合物半導体１の厚さは任意である。なお、これらはエピタキシャル成長した基板、バルク半導体基板のいずれであってもよい。また、ＧａＡｓとＩｎＡｓの混晶を同様に化合物半導体１として用いてもよい。
【００１７】
絶縁性薄膜２は、蛍石型構造をもつフッ化化合物からなる。具体的には、蛍石型構造をもつＣａＦ２又はＳｒＦ２が好ましい。その成膜法としては、一般的に薄膜形成に用いられるスパッタリング法、電子ビーム蒸着法、抵抗加熱蒸着法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等を用いることができる。この絶縁性薄膜２は化合物半導体１上にエピタキシャル成長し、その結晶配向面は化合物半導体１と同様に（１００）面となる。その厚さは例えば０．８ｎｍ〜２０ｎｍとすることができるが、特に５ｎｍ以下であることが、強磁性薄膜３の結晶配向性を向上させる上で好ましい。なお、この絶縁性薄膜２をＣａＦ２、ＳｒＦ２のどちらにするかは、化合物半導体１の種類（ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、及びこれらの混晶）に応じて、界面の格子のミスマッチを小さくするべく選択することができる。
【００１８】
強磁性薄膜３は、Ｆｅ又はＦｅＣｏ合金からなる強磁性体である。その厚さは例えば５０ｎｍとすることができる。その成膜法としては、絶縁性薄膜２と同様にスパッタリング法、電子ビーム蒸着法、抵抗加熱蒸着法、ＭＢＥ法を用いることができる。特に、強磁性薄膜３の成膜においては、絶縁性薄膜２を成膜した直後に真空中で連続して成膜することが好ましい（なお、ここでいう真空とは上記成膜法における真空度での雰囲気を意味する）。また、その成膜温度は４００℃以上とすることが、強磁性薄膜３をエピタキシャル成長させる上で好ましい。
【００１９】
以下に、この構造が好ましい理由につき説明する。まず、非特許文献３に記載のＭｇＯ／ＧａＡｓ積層構造において、ＭｇＯの（１００）面における［１１０］方位とＧａＡｓの（１００）面における［１００］方位とが一致した場合には、格子のミスマッチは５．５％程度と小さくなる。すなわち、ＭｇＯの（１００）面とＧａＡｓの（１００）面の間ではミスマッチの小さい接合界面が得られるとも考えられる。しかしながら、実際にはミスマッチの小さい接合界面は得られていない。
【００２０】
これは、ＧａＡｓの（１００）面には極性があることに起因する。すなわち、III−Ｖ属化合物半導体であるＧａＡｓの（１００）面は、III属元素（Ｇａ）のみ、あるいはＶ属元素（Ａｓ）のみからなる。これに対して、ＭｇＯの（１００）面においては、その結晶構造が異なるため、陽イオン（Ｍｇイオン）と陰イオン（Ｏイオン）とが混在する。従って、ＭｇＯの（１００）面がＧａＡｓの（１００）面上に積層された場合には、電荷の補償ができないため、実際にはこれらが整合した構造は形成されにくい。従って、実際にＭｇＯをＧａＡｓの（１００）面上に成長させた場合には、ＭｇＯの（１００）面における［１００］方位とＧａＡｓの（１００）面における［１００］方位とが平行となった構造として形成される。この場合の格子のミスマッチは前記の通り、−２５．４％と大きな値となる。従って、この界面には多くの結晶欠陥が発生する。
【００２１】
これに対して、本発明における絶縁性薄膜２となる蛍石型構造のフッ化化合物においては、その（１００）面はＧａＡｓと同様に、単一元素から構成される。従って、格子定数が化合物半導体１と合致すれば、絶縁性薄膜２の（１００）面を化合物半導体１の（１００）面上に格子のミスマッチが小さくなる方位で成長させることができる。すなわち、絶縁性薄膜２／化合物半導体１の界面の結晶欠陥を少なくすることができる。
【００２２】
更に、この構造の絶縁性薄膜２上には、Ｆｅ又はＦｅＣｏからなる強磁性薄膜３をエピタキシャル成長させることができる。従って、強磁性薄膜３／絶縁性薄膜２界面における結晶欠陥も少なくすることができる。これは、特に強磁性薄膜３の成膜時の基板温度を４００℃以上とした場合に顕著となる。また、絶縁性薄膜２の厚さを５ｎｍ以下と薄くした場合には、特に強磁性薄膜３のロッキングカーブ半値幅を小さくすることができるため、特に結晶配向性の良好な、結晶欠陥の少ない強磁性積層構造となる。絶縁性薄膜２の厚さが薄い方が好ましい特性が得られることは、特に絶縁性薄膜２をトンネル絶縁膜として使用する上では好ましい。
【００２３】
従って、図１の構造の強磁性積層構造においては、絶縁性薄膜２／化合物半導体１、強磁性薄膜３／絶縁性薄膜２のどちらの界面における結晶欠陥も少なくすることができ、良好な界面特性が得られる。従って、強磁性薄膜３から注入されるスピン偏極電子の界面における散乱を抑制することができ、高い電子注入効率をもった強磁性積層構造となる。これを用いて、例えば高効率のスピンＬＥＤ等、各種のスピントロニクスデバイスを得ることができる。
【００２４】
（実施例１）
本発明の実施例（実施例１）として、化合物半導体１としてＧａＡｓの（１００）単結晶基板、絶縁性薄膜２として蛍石構造のＳｒＦ２、強磁性薄膜３としてＦｅを用いた強磁性積層構造１０（Ｆｅ／ＳｒＦ２／ＧａＡｓ構造）を製造し、その特性を調べた。
【００２５】
まず、ＧａＡｓ（１００）基板を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を用いて除去した。その後、このＧａＡｓ基板上にスパッタリング法によって厚さ２０ｎｍのＳｒＦ２層、及び厚さ５０ｎｍのＦｅ層を連続して形成した。ＳｒＦ２層を形成する際には、ＳｒＦ２ターゲットを用い、基板温度４００℃、Ａｒガス圧０．５Ｐａでスパッタリングを行った。Ｆｅ層を形成する際には、Ｆｅターゲットを用い、基板温度４００℃、Ａｒガス圧０．２Ｐａでスパッタリングを行った。なお、この実施例１とは別に、参考のためにＳｒＦ２層のみを形成し、Ｆｅ層を形成しない試料も作成した。
【００２６】
図２は、これらの試料のＸ線回折（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）パターンを測定した結果であり、各ピークには対応する各物質の面方位が記してある。ここで、試料Ａは前記のＦｅ層を形成しなかった試料であり、試料Ｂが実施例１となる、Ｆｅ層まで形成した試料である。すなわち、試料ＡにおいてはＳｒＦ２層の結果が強く現れており、試料Ｂにおいては、Ｆｅ層の結果が強く現れている。
【００２７】
図２における試料Ａの結果より、ＳｒＦ２層が蛍石型構造の（２００）方向に配向し、試料Ｂの結果から、Ｆｅ層も（２００）配向していることが確認できる。
【００２８】
更に、試料Ｂについて、Ｘ線回折のｉｎ−ｐｌａｎｅ測定を行った結果を図３に示す。図３において、（ａ）はＧａＡｓの（０２２）面、（ｂ）はＳｒＦ２の（０２２）面、（ｃ）はＦｅの（００２）面に対するそれぞれの極図形である。どの極図形も明確な４回対称性を示していることから、ＳｒＦ２層及びＦｅ層は、それぞれエピタキシャル成長膜である。
【００２９】
また、（ａ）のＧａＡｓの（０２２）回折ピークと（ｂ）のＳｒＦ２の（０２２）回折ピークの角度差とブラッグ角の差から求まるそれぞれの面のなす角はほぼ零となることから、ＧａＡｓの（０２２）面とＳｒＦ２の（０２２）面はほぼ平行であることがわかる。すなわち、ＳｒＦ２／ＧａＡｓ界面においては、ＳｒＦ２の（１００）面における［１００］方向とＧａＡｓの（１００）面における［１００］方向とが平行に配列されている。
【００３０】
また、（ｂ）のＳｒＦ２の（０２２）回折ピークと（ｃ）のＦｅの（００２）回折ピークの角度差とブラッグ角の差から求まるそれぞれの面のなす角はほぼ４５°となる。従って、Ｆｅ／ＳｒＦ２界面における面内方向の原子配列は、Ｆｅの（１００）面における［１００］方向とＳｒＦ２の（１００）面における［１００］方向とが平行に配列されている。
【００３１】
次に、これらの界面での格子のミスマッチを試料ＡとＢのｉｎ−ｐｌａｎｅの対称測定を行うことにより調べた。その結果が図４である。この結果におけるピーク間距離がこのミスマッチに対応する。この結果より、試料ＡにおけるＳｒＦ２とＧａＡｓ間のミスマッチは２．４％と小さな値となっている。また、試料ＢにおけるＦｅのピークから、ＦｅとＳｒＦ２間のミスマッチは−０．９％と極めて小さくなっている。
【００３２】
従って、実施例１においては、化合物半導体１であるＧａＡｓ上に絶縁性薄膜２である蛍石型構造のＳｒＦ２、さらにその上に強磁性薄膜３であるＦｅがそれぞれエピタキシャル成長しており、これらの界面における格子ミスマッチが小さな値であることが確認できる。すなわち、上記の通り、この構造によって界面の結晶欠陥が少ない強磁性積層構造が実現できている。
【００３３】
（比較例１）
同様にして、比較例１として、Ｆｅ／ＭｇＯ／ＧａＡｓ構造を作成し、その特性を調べた。
【００３４】
ここでは、前記と同様のＧａＡｓ（１００）基板上に同様の処理を施した後、厚さ２０ｎｍのＭｇＯ、厚さ５０ｎｍのＦｅをスパッタリング法によって形成した。ここで、ＭｇＯの成膜は基板温度４００℃、Ａｒガス圧０．２Ｐａで行った。Ｆｅの成膜は室温にてＡｒガス圧０．２Ｐａで行った。
【００３５】
図５に、比較例１のＸ線回折（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）パターンを測定した結果を示す。この結果より、この場合のＭｇＯは（２００）配向であり、Ｆｅが（２００）配向であることが確認できる。
【００３６】
図６に、比較例１について、図３同様にｉｎ−ｐｌａｎｅ測定を行った結果を示す。図６において、（ａ）はＧａＡｓの（０２２）面、（ｂ）はＭｇＯの（００２）面、（ｃ）はＦｅの（００２）面に対するそれぞれの極図形である。ここで、（ｂ）については強度を１０倍に拡大している。どの極図形も明確な４回対称性を示していることから、ＭｇＯ層及びＦｅ層は、それぞれエピタキシャル成長膜である。
【００３７】
また、（ａ）のＧａＡｓの（０２２）回折ピークと（ｂ）のＭｇＯの（００２）回折ピークの角度差とブラッグ角の差から求まるそれぞれの面のなす角はほぼ４５°となる。従って、ＭｇＯ／ＧａＡｓ界面においては、ＭｇＯの（１００）面における［１００］方向とＧａＡｓの（１００）面における［１００］方向とが平行に配列されている。
【００３８】
同様に、（ｂ）のＭｇＯの（００２）回折ピークと（ｃ）のＦｅの（００２）回折ピークの角度差とブラッグ角の差から求まるそれぞれの面のなす角もほぼ４５°となる。従って、Ｆｅ／ＭｇＯ界面における面内方向の原子配列は、Ｆｅの（１００）面における［１００］方向とＭｇＯの（１００）面における［１００］方向とのなす角がほぼ４５°となっている。
【００３９】
次に、これらの界面での格子のミスマッチをｉｎ−ｐｌａｎｅの対称測定を行うことにより調べた。その結果が図７である。ピーク間の距離が図４と比べて明らかに大きく、この結果から、ＭｇＯとＧａＡｓ間のミスマッチは−２５．４％と極めて大きい。また、ＦｅとＭｇＯ間のミスマッチは−３．８％となり、前述のＭｇＯとＧａＡｓ間の値より小さいものの、実施例１と比べると大きい。すなわち、比較例１においては、絶縁性薄膜及び強磁性薄膜を化合物半導体上にエピタキシャル成長させることはできたが、各界面のミスマッチは実施例１と比べて大きい。この理由は前記の通りである。
【００４０】
（比較例２、３）
同様に、実施例１と同様の構造（Ｆｅ／ＳｒＦ２／ＧａＡｓ構造）を、Ｆｅの成膜を室温で行って作成した場合（比較例２）、２００℃で行って作成した場合（比較例３）について調べた。これらの比較例におけるその他の作成条件、各膜厚は実施例１と同様である。
【００４１】
比較例２、比較例３のＸ線回折（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）結果を実施例１（試料Ｂ）と同時に示したのが図８である。この結果より、実施例１ではＦｅの（２００）面のピークが見られたのに対して、比較例２、３ではいずれもこのピークが見られない。すなわち、Ｆｅの成膜温度が４００℃であった実施例１に対して、これよりも低い成膜温度でＦｅを成膜した比較例２、３ではＦｅの（２００）配向が得られない、すなわち、エピタキシャル成長が行われないことがわかる。従って、強磁性薄膜３の成膜時の基板温度を４００℃以上とすることにより、エピタキシャル成長した強磁性積層構造が得られる。
【００４２】
（実施例２〜５、比較例４〜７）
次に、実施例２〜５として、実施例１と同様の構造、製造方法によって、ＳｒＦ２の膜厚を０．８ｎｍ（実施例２）、１．０ｎｍ（実施例３）、２．５ｎｍ（実施例４）、５．０ｎｍ（実施例５）とした試料をそれぞれ作成した。
【００４３】
また、比較例４〜７として、前記の比較例１と同様の構造（Ｆｅ／ＭｇＯ／ＧａＡｓ構造）、製造方法において、ＭｇＯの膜厚を０．８ｎｍ（比較例４）、１．０ｎｍ（比較例５）、２．５ｎｍ（比較例６）、５．０ｎｍ（比較例７）とした試料をそれぞれ作成した。
【００４４】
実施例１〜５、比較例１、４〜７の試料について、Ｘ線回折（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）測定を行い、Ｆｅ（２００）面に対するロッキングカーブの半値幅を求めた。その絶縁性薄膜（ＳｒＦ２又はＭｇＯ）の膜厚依存性を調べた結果が図９である。この結果より、この半値幅の膜厚依存性においては、実施例では膜厚が小さくなるに従って半値幅が小さくなり、比較例では膜厚が小さくなるに従ってやや半値幅が大きくなる。すなわち、実施例と比較例では逆の傾向が見られる。これにより、特にＳｒＦ２の膜厚が５ｎｍ以下と薄い場合に特にこの半値幅が小さくなることが確認できる。すなわち、ＳｒＦ２の膜厚が５ｎｍ以下と薄い場合には、前記の通りに界面の結晶欠陥が少ないことに加えて、特に結晶配向性の高いＦｅ層（強磁性薄膜）をその上に形成することができる。従って、トンネル絶縁膜として特に好ましい、５ｎｍ以下と薄いＳｒＦ２を絶縁性薄膜２として用いる場合に、強磁性薄膜３にも特に好ましい特性が得られる。すなわち、絶縁性薄膜２の厚さが０．８〜５ｎｍの場合に特に良好な特性が得られることが確認された。
【００４５】
（実施例６）
次に、実施例６として、化合物半導体１をＩｎＡｓとした場合に同様の構造を同様に作成した。ここで、ＩｎＡｓは、ＧａＡｓ（１００）基板上に予めエピタキシャル成長したＩｎＡｓを用いた。更に、この実施例では絶縁性薄膜２（ＳｒＦ２）、強磁性薄膜３（Ｆｅ）をスパッタリング法ではなく、電子ビーム蒸着法で成膜した。この電子ビーム蒸着は分子線エピタキシー成膜装置の中で行われ、２．５ｎｍの厚さのＳｒＦ２が基板温度３００℃で、その後５０ｎｍの厚さのＦｅが基板温度４００℃で成膜された。なお、ＳｒＦ２の蒸着源にはＳｒＦ２の単結晶を用いた。
【００４６】
この試料の作成時の各段階で、分子線エピタキシー成膜装置中で、反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）パターンを測定した結果を図１０に示す。この測定においては、ＩｎＡｓの［１１０］方向から電子を入射させており、上からＩｎＡｓ表面（ＳｒＦ２成膜直前）、ＳｒＦ２表面（Ｆｅ成膜直前）、Ｆｅ表面のＲＨＥＥＤパターンを示す。このパターンの周期性が保たれていることから、ＳｒＦ２、Ｆｅはエピタキシャル成長していることがわかる。
【００４７】
また、製造後の実施例６のＸ線回折（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）測定結果が図１１である。Ｆｅ（２００）面の強いピークが現れており、Ｆｅ層が実施例１〜５と同様に強く（２００）配向していることが確認できる。また、界面のミスマッチに起因する結晶欠陥も、実施例１〜５と同様に少ないことが確認できた。従って、化合物半導体１としてＧａＡｓを用いた場合のみならず、ＩｎＡｓを用いた場合においても、同様に良好な特性の強磁性積層構造１０を得ることができる。
【００４８】
なお、上記の実施例においては、化合物半導体１としてはＧａＡｓ、ＩｎＡｓのいずれかが用いられていたが、これに限られるものではない。例えばこれらの混晶であるＧａ１−ｘＩｎｘＡｓはこれらと同じ結晶形であり、格子定数がこれらの間の連続的な値をとるため、これを用いた場合でも同様に良好な特性の強磁性積層構造１０を得ることができる。
【００４９】
また、上記の実施例においてはフッ化化合物である絶縁性薄膜２としてＳｒＦ２が用いられていたが、これに限られるものではない。ＳｒＦ２と同様の結晶構造（蛍石型構造）と、これに近い格子定数をもつ他のフッ化化合物、例えばＣａＦ２も同様に用いることができる。また、化合物半導体１と絶縁性薄膜２の選択においては、これらの界面における格子のミスマッチが最小となるべくこれらを選択することが可能である。例えば、化合物半導体１となるＧａ１−ｘＩｎｘＡｓにおけるｘの値、絶縁性薄膜２としてＳｒＦ２、ＣａＦ２のどちらを用いるか等を適宜選択することができる。また、ＳｒＦ２、ＣａＦ２の混合物を用いることもできる。この場合にはこれらの混合物からなるターゲット、あるいは各々の材料からなる２種類のターゲットを用いてスパッタリングによって絶縁性薄膜２を成膜してもよい。
【００５０】
また、上記のいずれの実施例においても強磁性薄膜３としてＦｅが用いられていたが、同様の特性・構造をもつＦｅＣｏ合金も同様に用いることができる。
【００５１】
その他、強磁性薄膜３の厚さ等も、上記の範囲に限定されず、任意である。その他の諸条件も、本発明の要旨を逸脱しない範囲で任意である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態に係る強磁性積層構造の断面図である。
【図２】実施例１のＸ線回折（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）測定結果である。
【図３】実施例１のＸ線回折（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）測定において、極点測定を（ａ）ＧａＡｓの（０２２）面、（ｂ）ＳｒＦ２の（０２２）面、（ｃ）Ｆｅの（００２）面に対して行った結果である。
【図４】実施例１のＸ線回折（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）対称測定結果である。
【図５】比較例１のＸ線回折（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）測定結果である。
【図６】比較例１のＸ線回折（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）測定において、極点測定を（ａ）ＧａＡｓの（０２２）面、（ｂ）ＭｇＯの（００２）面、（ｃ）Ｆｅの（００２）面に対して行った結果である。
【図７】比較例１のＸ線回折（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）対称測定結果である。
【図８】比較例２、３のＸ線回折（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）測定結果である。
【図９】実施例１〜５、比較例１、４〜７におけるＦｅ（２００）面のロッキングカーブ半値幅の絶縁性薄膜膜厚依存性を示す図である。
【図１０】実施例６におけるＩｎＡｓ、ＳｒＦ２、Ｆｅ表面の反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）パターンである。
【図１１】実施例６におけるＸ線回折（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）測定結果である。
【符号の説明】
【００５３】
１ 化合物半導体
２ 絶縁性薄膜
３ 強磁性薄膜
１０ 強磁性積層構造
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体、絶縁性薄膜、及び強磁性薄膜が順次積層された強磁性積層構造であって、
前記化合物半導体はＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、またはこれらの混晶であり、
前記絶縁性薄膜は蛍石型構造のフッ化化合物からなり、
前記強磁性薄膜はＦｅまたはＦｅＣｏ合金からなることを特徴とする強磁性積層構造。
【請求項２】
前記強磁性薄膜から前記絶縁性薄膜を通して前記化合物半導体にスピン偏極電子が注入されて使用されることを特徴とする請求項１に記載の強磁性積層構造。
【請求項３】
前記フッ化化合物はＣａＦ２、ＳｒＦ２のいずれかあるいはこれらの混合物であることを特徴とする請求項１又は２に記載の強磁性積層構造。
【請求項４】
前記化合物半導体の（１００）面上に前記絶縁性薄膜及び前記強磁性薄膜が順次積層されたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の強磁性積層構造。
【請求項５】
前記絶縁性薄膜の厚さが０．８〜５．０ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の強磁性積層構造。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の強磁性積層構造を製造する製造方法であって、
前記化合物半導体上に真空中で前記絶縁性薄膜及び前記強磁性薄膜を連続して形成し、前記強磁性薄膜を形成する際の基板温度を４００℃以上とすることを特徴とする強磁性積層構造の製造方法。
【請求項７】
前記絶縁性薄膜及び前記強磁性薄膜の形成は、スパッタリング法によって行うことを特徴とする請求項６に記載の強磁性積層構造の製造方法。
【請求項８】
前記絶縁性薄膜及び前記強磁性薄膜の形成は、電子ビーム蒸着法によって行うことを特徴とする請求項６に記載の強磁性積層構造の製造方法。
【請求項１】
化合物半導体、絶縁性薄膜、及び強磁性薄膜が順次積層された強磁性積層構造であって、
前記化合物半導体はＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、またはこれらの混晶であり、
前記絶縁性薄膜は蛍石型構造のフッ化化合物からなり、
前記強磁性薄膜はＦｅまたはＦｅＣｏ合金からなることを特徴とする強磁性積層構造。
【請求項２】
前記強磁性薄膜から前記絶縁性薄膜を通して前記化合物半導体にスピン偏極電子が注入されて使用されることを特徴とする請求項１に記載の強磁性積層構造。
【請求項３】
前記フッ化化合物はＣａＦ２、ＳｒＦ２のいずれかあるいはこれらの混合物であることを特徴とする請求項１又は２に記載の強磁性積層構造。
【請求項４】
前記化合物半導体の（１００）面上に前記絶縁性薄膜及び前記強磁性薄膜が順次積層されたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の強磁性積層構造。
【請求項５】
前記絶縁性薄膜の厚さが０．８〜５．０ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の強磁性積層構造。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の強磁性積層構造を製造する製造方法であって、
前記化合物半導体上に真空中で前記絶縁性薄膜及び前記強磁性薄膜を連続して形成し、前記強磁性薄膜を形成する際の基板温度を４００℃以上とすることを特徴とする強磁性積層構造の製造方法。
【請求項７】
前記絶縁性薄膜及び前記強磁性薄膜の形成は、スパッタリング法によって行うことを特徴とする請求項６に記載の強磁性積層構造の製造方法。
【請求項８】
前記絶縁性薄膜及び前記強磁性薄膜の形成は、電子ビーム蒸着法によって行うことを特徴とする請求項６に記載の強磁性積層構造の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−２４６０８２（Ｐ２００９−２４６０８２Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−８９７０２（Ｐ２００８−８９７０２）
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【出願人】（５９１１０８１７８）秋田県 (126)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【出願人】（５９１１０８１７８）秋田県 (126)
【Ｆターム（参考）】
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