JP2003188390A - Spin valve transistor - Google Patents

Spin valve transistor

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JP2003188390A
JP2003188390A JP2001382827A JP2001382827A JP2003188390A JP 2003188390 A JP2003188390 A JP 2003188390A JP 2001382827 A JP2001382827 A JP 2001382827A JP 2001382827 A JP2001382827 A JP 2001382827A JP 2003188390 A JP2003188390 A JP 2003188390A
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俊彦 佐藤
Hiroyuki Akinaga
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Motonari Honda
元就 本田
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清悟 樽茶
Keiji Ono
圭司 大野
Hiroshi Yokoyama
浩 横山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spin valve transistor in which signal/noise ratio can be increased by enhancing variation of reluctance significantly thereby suppressing decrease of signal level. <P>SOLUTION: In a spin valve transistor having a multilayer structure of a first magnetic body layer (200) grown directly on a semiconductor layer (400), a tunnel barrier layer (300) and a second magnetic body layer (100) formed sequentially on the first magnetic body layer (200), an avalanche breakdown electron multiplication layer (410) is provided on the semiconductor layer (400). <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、再生用磁気ヘッド
や磁気メモリとしての応用が期待されるスピンバルブト
ランジスタに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a spin valve transistor expected to be applied as a reproducing magnetic head or a magnetic memory.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
例えば、 (1)K.Mizushima,T.Kinno,K.
Tanaka,andT.Yamauchi,Phys
ical Review B,Vol.58,no.
8,1998,pp.4660−4665 (2)D.J.Monsma,J.C.Lodder,
Th.J.A.Popma,and,B,Dieny,
Physical Review Letters,V
ol.74,no.26,1995,pp.5260−
5263 に開示されるものがあった。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a technique in such a field,
For example, (1) K. Mizushima, T .; Kinno, K .;
Tanaka, and T. Yamauchi, Phys
ical Review B, Vol. 58, no.
8, 1998, pp. 4660-4665 (2) D.I. J. Monsma, J .; C. Rodder,
Th. J. A. Popma, and, B, Diny,
Physical Review Letters, V
ol. 74, no. 26, 1995, pp. 5260-
5263.

【0003】上記文献には、トンネル磁気抵抗効果(T
MR)に基づく磁気センサとして、スピンバルブトラン
ジスタ(SVT)素子が提案されている。
In the above literature, the tunnel magnetoresistive effect (T
A spin valve transistor (SVT) element has been proposed as a magnetic sensor based on MR.

【0004】SVT素子は、従来の磁気抵抗効果素子に
比べ大きな磁気抵抗効果を示すため、再生用磁気ヘッド
や磁気メモリとしての応用が期待されている。
Since the SVT element exhibits a larger magnetoresistive effect than the conventional magnetoresistive effect element, it is expected to be applied as a reproducing magnetic head or a magnetic memory.

【0005】図8は従来のSVT素子の構成図である。FIG. 8 is a block diagram of a conventional SVT element.

【0006】この図に示すように、SVT素子は、半導
体基板(半導体層)400の上に、第一の磁性体層20
0、トンネルバリア層(誘電体層)300、及び第二の
磁性体層100が、この順に積層された構造を有する。
ここで、半導体基板400は、オーミックコンタクト領
域401内に形成されたコレクタ電極550を通じて、
外部電気回路に接続される。その半導体基板400上に
形成される第一の磁性体層200には、上部に半導体基
板400を介さず、直接外部回路と電気的接続を行うベ
ース電極530が形成されている。
As shown in this figure, the SVT element has a first magnetic layer 20 on a semiconductor substrate (semiconductor layer) 400.
0, the tunnel barrier layer (dielectric layer) 300, and the second magnetic layer 100 are laminated in this order.
Here, the semiconductor substrate 400 has a collector electrode 550 formed in the ohmic contact region 401.
Connected to an external electric circuit. On the first magnetic layer 200 formed on the semiconductor substrate 400, a base electrode 530 is formed on the upper portion of the first magnetic layer 200 for making electrical connection directly to an external circuit without the semiconductor substrate 400 interposed therebetween.

【0007】一方、第二の磁性体層100は、金属配線
層から成るエミッタ電極510を通じて外部電気回路に
接続される。
On the other hand, the second magnetic layer 100 is connected to an external electric circuit through an emitter electrode 510 formed of a metal wiring layer.

【0008】また、エミッタ電極510とベース電極5
30の間には、エミッタ電圧710が印加され、コレク
タ電極550とベース電極530の間には、コレクタ電
圧750が印加される。ここで、エミッタ電極510に
流れる電流をエミッタ電流610とし、ベース電極53
0に流れ込む電流をベース電流630とし、コレクタ電
極550に流れ込む電流をコレクタ電流650とする。
なお、800は外部磁界である。
Also, the emitter electrode 510 and the base electrode 5
The emitter voltage 710 is applied between the electrodes 30, and the collector voltage 750 is applied between the collector electrode 550 and the base electrode 530. Here, the current flowing through the emitter electrode 510 is the emitter current 610, and the base electrode 53
The current flowing into 0 is the base current 630, and the current flowing into the collector electrode 550 is the collector current 650.
In addition, 800 is an external magnetic field.

【0009】図9は、SVT素子において、第一の磁性
体層200、トンネルバリア層300、第二の磁性体層
100及び半導体基板400の各層と、これらの界面で
実現される、バンド構造を示す図である。
FIG. 9 shows a band structure realized in each layer of the first magnetic material layer 200, the tunnel barrier layer 300, the second magnetic material layer 100, and the semiconductor substrate 400 in the SVT element and their interfaces. FIG.

【0010】図9では、第一の磁性体のフェルミレベル
がEF1、第二の磁性体のフェルミレベルがEF2と表示さ
れている。また、図9は、エミッタ電圧710が、エミ
ッタ電極510を、ベース電極530に対してVE だけ
負にバイアスしており、かつ、ベース電位とコレクタ電
位が同電位に設定されている(つまり、コレクタ電圧は
ゼロである)場合を表している。
In FIG. 9, the Fermi level of the first magnetic material is shown as E F1 and the Fermi level of the second magnetic material is shown as E F2 . Further, in FIG. 9, the emitter voltage 710 biases the emitter electrode 510 negatively by V E with respect to the base electrode 530, and the base potential and the collector potential are set to the same potential (that is, The collector voltage is zero).

【0011】上記二種類の磁性体層100,200間に
バイアス電圧Vを印加すると、これら二層の磁性体層の
間に、トンネルバリア層300を介したトンネル電流I
が流れる。トンネル抵抗Rは、R=V/Iで定義でき
る。このトンネル抵抗Rの大きさを観測すると、上記第
一及び第二の磁性体層200,100間の磁化の向きが
平行か反平行であるかによって、トンネル抵抗Rが変化
する。このようなトンネル抵抗Rの変化を、磁気抵抗変
化と呼ぶ。磁気抵抗変化が生じる原因は、両磁性体中で
の、フェルミ面付近の状態密度分布の非対称性に有る。
すなわち、第一の磁性体層200のマジョリティスピン
の向きが上向きであり、また、第二の磁性体層100の
マイノリティスピンの向きも上向きであるとき、同じ向
きのスピンの状態間のトンネルしか許されないことか
ら、第二の磁性体層100から見た第一の磁性体層20
0の空き準位の密度は相対的に小さく、トンネル確率が
小さくなる。このような両磁性体層100,200の磁
化の配置を、磁化の反平行配置と呼ぶ。
When a bias voltage V is applied between the two types of magnetic layers 100 and 200, a tunnel current I is generated between the two magnetic layers via the tunnel barrier layer 300.
Flows. The tunnel resistance R can be defined by R = V / I. Observing the magnitude of the tunnel resistance R, the tunnel resistance R changes depending on whether the magnetization directions between the first and second magnetic layers 200 and 100 are parallel or antiparallel. Such a change in tunnel resistance R is called a change in magnetic resistance. The cause of the change in magnetoresistance is the asymmetry of the density of states distribution near the Fermi surface in both magnetic materials.
That is, when the direction of the majority spin of the first magnetic layer 200 is upward and the direction of the minority spin of the second magnetic layer 100 is also upward, only tunnels between spin states of the same direction are allowed. Therefore, the first magnetic layer 20 seen from the second magnetic layer 100 is not formed.
The density of empty levels of 0 is relatively small, and the tunnel probability is small. The arrangement of the magnetizations of both magnetic layers 100 and 200 as described above is called an antiparallel arrangement of the magnetizations.

【0012】一方、上記のように第一の磁性体層200
のマジョリティスピンの向きが上向きであり、かつ、第
二の磁性体層100のマジョリティスピンの向きも上向
きであるとき、第二の磁性体層100から見た第一の磁
性体層200の空き準位の密度は相対的に大きく、トン
ネル確率が大きくなる。このような両磁性体の磁化の配
置を、磁化の平行配置と呼ぶ。
On the other hand, as described above, the first magnetic layer 200
When the direction of the majority spin of is the upward direction and the direction of the majority spin of the second magnetic layer 100 is also the upward direction, the vacant quasi-state of the first magnetic layer 200 seen from the second magnetic layer 100. The order density is relatively large and the tunnel probability increases. The arrangement of the magnetizations of both magnetic bodies is called the parallel arrangement of the magnetizations.

【0013】トンネル確率の小さい反平行配置の時は、
上記トンネル抵抗Rはより大きくなり、トンネル確率の
大きい平行配置の時は、上記トンネル抵抗Rは小さくな
る。磁気抵抗変化が生じることにより、上記バイアス電
圧Vが一定であれば、外部磁界800の変化によって、
磁化の平行配置と反平行配置の間のスイッチが起こり、
上記トンネル電流が変化する。
In the case of antiparallel arrangement with a small tunnel probability,
The tunnel resistance R becomes larger, and the tunnel resistance R becomes smaller in the parallel arrangement in which the tunnel probability is high. If the bias voltage V is constant due to the change in magnetic resistance, the change in the external magnetic field 800 causes
A switch between parallel and anti-parallel configurations of magnetization occurs,
The tunnel current changes.

【0014】SVT素子では、第二の磁性体層100か
ら第一の磁性体層200へ注入されるトンネル電子のう
ち、第一の磁性体層200を透過して、一部の電子が半
導体基板400に到達できる構造となっている。
In the SVT element, some of the tunnel electrons injected from the second magnetic layer 100 into the first magnetic layer 200 are transmitted through the first magnetic layer 200 and some of the electrons are emitted from the semiconductor substrate. It has a structure that can reach 400.

【0015】本発明によるSVT素子では、この半導体
層(半導体基板)に到達する電子に起因する電流を電流
信号とする。言い換えれば、コレクタ電流650の外部
磁界800による変化が、センサー信号である。
In the SVT element according to the present invention, the current resulting from the electrons reaching the semiconductor layer (semiconductor substrate) is used as the current signal. In other words, the change in collector current 650 due to the external magnetic field 800 is the sensor signal.

【0016】上記の半導体層に到達する電子は、図9に
示したエミッタ・ベース間バイアス電圧の存在により、
第二の磁性体層100のフェルミレベルEF2付近のエネ
ルギー準位に端を発し、第一の磁性体層200中のフェ
ルミレベルEF1より十分高いエネルギー準位を経て半導
体層400に到達する、ホットエレクトロンHEが主体
であると考えられる。
The electrons arriving at the above semiconductor layer are caused by the presence of the emitter-base bias voltage shown in FIG.
Starting from the energy level near the Fermi level E F2 of the second magnetic layer 100 and reaching the semiconductor layer 400 via an energy level sufficiently higher than the Fermi level E F1 in the first magnetic layer 200, It is considered that hot electrons HE are the main components.

【0017】ここで、第一の磁性体層200中のフェル
ミレベルEF1より十分高いエネルギー準位においては、
上向きスピンの状態密度が、下向きスピンの状態密度に
比べて遙かに大きく、第二の磁性体層100から第一の
磁性体層200に注入される電子は、上向きスピンのも
のにほぼ限定されると見て良い。このため、両磁性体層
の磁化の向きが平行か反平行であるかによって、第二の
磁性体層100のスピン分極率を忠実に反映した、極め
て大きい磁気抵抗効果が得られる。
Here, in the energy level sufficiently higher than the Fermi level E F1 in the first magnetic layer 200,
The density of states of the upward spin is much higher than that of the downward spin, and the electrons injected from the second magnetic layer 100 into the first magnetic layer 200 are almost limited to those of the upward spin. You can see it. Therefore, an extremely large magnetoresistive effect that faithfully reflects the spin polarizability of the second magnetic layer 100 can be obtained depending on whether the magnetization directions of both magnetic layers are parallel or antiparallel.

【0018】一方、第二の磁性体層100のフェルミレ
ベルEF2より十分低いエネルギー準位に端を発した電子
は、第一の磁性体層200中のフェルミレベルEF1より
高いエネルギー準位ではあるが、ショットキーバリア高
さよりも低いエネルギー準位へ注入されるため、半導体
層(半導体基板)400には、ほとんど到達せず、第一
の磁性体層200を通じて外部回路へ流れ、ベース電流
530を形成する。
On the other hand, an electron that originates at an energy level sufficiently lower than the Fermi level E F2 of the second magnetic layer 100 has an energy level higher than the Fermi level E F1 of the first magnetic layer 200. However, since it is injected into an energy level lower than the Schottky barrier height, it hardly reaches the semiconductor layer (semiconductor substrate) 400, flows to the external circuit through the first magnetic layer 200, and the base current 530. To form.

【0019】図9にも示されているように、これらの低
エネルギー電子のトンネルに関与する第一の磁性体層2
00中の電子状態は、あまり大きなスピン分極を持た
ず、したがって、ベース電流530には、大きな磁気抵
抗効果は期待できない。
As shown in FIG. 9, the first magnetic layer 2 involved in the tunnel of these low energy electrons.
The electronic state in 00 does not have a very large spin polarization, so that a large magnetoresistive effect cannot be expected for the base current 530.

【0020】以上の議論から、第一の磁性体層200中
の十分高いエネルギー準位を経由して半導体層400に
到達する電子(ホットエレクトロン)を主体としたコレ
クタ電流650は、より低いエネルギー準位を経由する
電子を主体としたベース電流530に比べ、より大きな
磁気抵抗変化(磁気電流変化ともいう)を発生すると結
論される。
From the above discussion, the collector current 650 mainly composed of electrons (hot electrons) reaching the semiconductor layer 400 via a sufficiently high energy level in the first magnetic layer 200 has a lower energy level. It is concluded that a larger magnetoresistance change (also referred to as a magnetic current change) occurs as compared with the base current 530 mainly composed of electrons passing through the position.

【0021】SVT素子は、第一の磁性体層200と半
導体層400の界面に生成される「ショットキーバリア
のフィルタ効果」により、第一の磁性体層200に注入
されるトンネル電子全体の中から、より大きな磁気抵抗
変化を生じるホットエレクトロンHEのみを抽出し、コ
レクタ信号とする素子である。
In the SVT element, due to the “Schottky barrier filter effect” generated at the interface between the first magnetic layer 200 and the semiconductor layer 400, all the tunnel electrons injected into the first magnetic layer 200 are included. Is an element that extracts only hot electrons HE that cause a larger change in magnetic resistance and uses them as collector signals.

【0022】[0022]

【発明が解決しようとする課題】上記のように、SVT
素子におけるコレクタ電流は、第二の磁性体から注入さ
れるエミッタ電流の一部がコレクタに到達する結果得ら
れる信号である。エミッタ電流は、以下のような三種類
の過程で、コレクタへの流入を妨げられる。すなわち、
(1)第一の磁性体層中でのホットエレクトロンの各種
散乱機構による減衰、(2)ショットキーバリアによる
低エネルギー電子の除去、(3)ホットエレクトロン
の、第一の磁性体と半導体界面でのポテンシャル散乱、
の主に3つの要素である。通常、これらの過程によっ
て、コレクタ電流は、エミッタ電流の1×10-4倍程度
以下の大きさとなる。そのため、磁気抵抗変化の大幅な
向上にも関わらず、信号レベルの大幅な減少となり、信
号体雑音比を悪化させるという問題があった。
As described above, the SVT
The collector current in the element is a signal obtained as a result of a part of the emitter current injected from the second magnetic body reaching the collector. The emitter current is prevented from flowing into the collector in the following three types of processes. That is,
(1) Attenuation of hot electrons in the first magnetic layer by various scattering mechanisms, (2) Removal of low-energy electrons by Schottky barrier, (3) Hot electron at the interface between the first magnetic substance and the semiconductor. Potential scattering of
There are three main factors. Normally, the collector current becomes about 1 × 10 −4 times or less the emitter current by these processes. Therefore, there is a problem that the signal level is greatly reduced and the signal-to-noise ratio is deteriorated, although the magnetic resistance change is significantly improved.

【0023】本発明は、上記問題点を除去し、磁気抵抗
変化の大幅な向上による信号レベルの減少を抑えて信号
体雑音比を高めることができるスピンバルブトランジス
タを提供することを目的とする。
It is an object of the present invention to eliminate the above-mentioned problems, and to provide a spin valve transistor capable of increasing a signal-to-noise ratio by suppressing a decrease in signal level due to a significant improvement in magnetoresistance change.

【0024】[0024]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔1〕スピンバルブトランジスタにおいて、半導体層上
に直に成長させた第一の磁性体層と、この第一の磁性体
層上に、順にトンネルバリア層と、第二の磁性体層とを
積層した構造を有するスピンバルブトランジスタであっ
て、前記半導体層上にアバランシェブレイクダウンによ
る電子増倍層を設けることを特徴とする。
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides [1] a spin valve transistor, which comprises a first magnetic layer directly grown on a semiconductor layer and a first magnetic layer. A spin valve transistor having a structure in which a tunnel barrier layer and a second magnetic layer are sequentially laminated on a magnetic layer, wherein an electron multiplication layer by avalanche breakdown is provided on the semiconductor layer. And

【0025】〔2〕上記〔1〕記載のスピンバルブトラ
ンジスタであって、前記第一の磁性体層と、前記半導体
層中に設けたアバランシェブレイクダウンによる電子増
倍層との間に、高濃度ドープ半導体から成るバッファ層
を設けることを特徴とする。
[2] The spin valve transistor according to the above [1], wherein a high concentration is provided between the first magnetic layer and the electron multiplication layer by avalanche breakdown provided in the semiconductor layer. A buffer layer made of a doped semiconductor is provided.

【0026】〔3〕上記〔1〕記載のスピンバルブトラ
ンジスタであって、前記半導体層上にn型半導体層及び
p型半導体層をこの順に成長させ、前記p型半導体層直
上に、前記第一の磁性体層を成長させ、コレクタバイア
スが、前記pn接合を逆バイアスすることによって電子
増倍機構を得ることを特徴とする。
[3] The spin valve transistor according to [1] above, wherein an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer are grown in this order on the semiconductor layer, and the first-type semiconductor layer is formed directly on the p-type semiconductor layer. The magnetic layer is grown, and the collector bias obtains an electron multiplication mechanism by reverse biasing the pn junction.

【0027】〔4〕上記〔1〕、〔2〕又は〔3〕記載
のスピンバルブトランジスタであって、前記第一の磁性
体層として、100Å以下の厚さのFeを用いることを
特徴とする。
[4] The spin valve transistor according to [1], [2] or [3] above, wherein Fe having a thickness of 100 Å or less is used as the first magnetic layer. .

【0028】〔5〕上記〔1〕、〔2〕、〔3〕又は
〔4〕記載のスピンバルブトランジスタであって、前記
半導体層としてGaAsを用いることを特徴とする。
[5] The spin valve transistor according to the above [1], [2], [3] or [4], wherein GaAs is used as the semiconductor layer.

【0029】[0029]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を詳細
に説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below.

【0030】図1は本発明のスピンバルブトランジスタ
の基本構成を示す断面図である。なお、従来のスピンバ
ルブトランジスタの構成と同じ部分については、同じ符
号を付してそれらの説明は省略する。
FIG. 1 is a sectional view showing the basic structure of the spin valve transistor of the present invention. The same parts as those of the conventional spin valve transistor are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

【0031】ここでは、コレクタ電流の増倍機構を有す
るスピンバルブトランジスタ(SVT)構造を用いた。
この増倍機構は、図1に示すような、低濃度ドープ半導
体層からなる増倍層410を第一の磁性体層200の直
下に設け、さらに、ベース電極530に対してコレクタ
電極550を正とする、十分大きな逆方向バイアス電圧
を印加することによって得られる。コレクタ電圧750
に印加された電圧は、上記増倍層410中に大きな電界
強度を発生させる。
Here, a spin valve transistor (SVT) structure having a collector current multiplication mechanism is used.
In this multiplication mechanism, as shown in FIG. 1, a multiplication layer 410 made of a lightly doped semiconductor layer is provided directly below the first magnetic layer 200, and a collector electrode 550 is positively connected to a base electrode 530. , Which is obtained by applying a sufficiently large reverse bias voltage. Collector voltage 750
The voltage applied to generates a large electric field intensity in the multiplication layer 410.

【0032】図2に示すように、この電界により、第一
の磁性体層200から上記増倍層410に注入されたホ
ットエレクトロンHEはさらに加速され、衝突電離を起
こしながら電子正孔対を発生させ、電子増倍を起こす。
これによって、コレクタ電流650が多くなり、出力信
号の増強につながる。
As shown in FIG. 2, the hot electrons HE injected from the first magnetic layer 200 into the multiplication layer 410 are further accelerated by this electric field to generate electron-hole pairs while causing collision ionization. And cause electron multiplication.
As a result, the collector current 650 increases, leading to an increase in the output signal.

【0033】図3は本発明の第1実施例を示すスピンバ
ルブトランジスタ素子の構成図である。なお、従来のス
ピンバルブトランジスタの構成と同じ部分については、
同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
FIG. 3 is a block diagram of a spin valve transistor element showing the first embodiment of the present invention. Regarding the same parts as the conventional spin valve transistor,
The same reference numerals are given and their description is omitted.

【0034】高濃度ドープn型GaAs半導体基板40
2上に、低濃度ドープ型GaAsによる増倍層412を
再成長し、その表面に第一の磁性体層202として、5
0Å厚のFe(100)を成長させた。引き続いて、酸
化アルミニウム層によるトンネルバリア層302を形成
し、引き続いて、第二の磁性体層102を成長させた。
第二の磁性体層102は、ここでは、Fe0.2Ni
0.8合金を用いた。なお、第二の磁性体層102とし
て、CoFe合金など、アモルファス磁性合金一般を用
いることができる。
Highly doped n-type GaAs semiconductor substrate 40
A lightly doped GaAs multiplication layer 412 is regrown on the surface 2 and the first magnetic layer 202 is formed on the surface of the multiplication layer 412.
Fe (100) with a thickness of 0Å was grown. Subsequently, the tunnel barrier layer 302 made of an aluminum oxide layer was formed, and subsequently, the second magnetic layer 102 was grown.
Here, the second magnetic layer 102 is made of Fe0.2Ni.
0.8 alloy was used. As the second magnetic layer 102, a general amorphous magnetic alloy such as a CoFe alloy can be used.

【0035】高濃度ドープn型GaAs半導体基板40
2のドープレベルは、Siの1×10-18 cm-3、低濃
度ドープn型GaAsによる増倍層412のSiドープ
レベルは1×10-17 cm-3である。上述のような磁性
体層を成長したGaAs基板は、フォトリソグラフィー
を主体とした微細加工技術により、20μm×50μm
の接合面積を有する、SVT素子に加工される。
Highly doped n-type GaAs semiconductor substrate 40
The doping level of 2 is 1 × 10 −18 cm −3 of Si, and the multiplying layer 412 of lightly doped n-type GaAs has a Si doping level of 1 × 10 −17 cm −3 . The GaAs substrate on which the magnetic layer is grown as described above is 20 μm × 50 μm by a microfabrication technique mainly based on photolithography.
Is processed into an SVT element having a junction area of.

【0036】上記の構成により、従来のSVT素子に比
べ、5倍以上の信号電流レベルが実現された。
With the above structure, a signal current level which is five times or more that of the conventional SVT element is realized.

【0037】図4は本発明の第2実施例を示すスピンバ
ルブトランジスタ素子の構成図である。なお、従来のス
ピンバルブトランジスタの構成と同じ部分については、
同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
FIG. 4 is a block diagram of a spin valve transistor element showing a second embodiment of the present invention. Regarding the same parts as the conventional spin valve transistor,
The same reference numerals are given and their description is omitted.

【0038】図4に示す第2実施例に記載のSVT素子
において、コレクタ電極に印加するバイアス電圧の増加
とともに、第一の磁性体202と低濃度ドープ型GaA
sによる増倍層412の界面に生成されるショットキー
バリアが相対的に薄くなって行く。そのため、SVT素
子の動作原理である「ショットキーバリアによる高エネ
ルギー電子のフィルタ効果」が弱くなる。このような現
象を避けるために、図4に示したような、高濃度ドープ
n型GaAsからなる、バッファ層420を設けた。
In the SVT element according to the second embodiment shown in FIG. 4, as the bias voltage applied to the collector electrode increases, the first magnetic substance 202 and the lightly doped GaA are added.
The Schottky barrier generated at the interface of the multiplication layer 412 by s becomes relatively thin. Therefore, the "filter effect of high-energy electrons by the Schottky barrier" which is the operating principle of the SVT element becomes weak. In order to avoid such a phenomenon, a buffer layer 420 made of heavily doped n-type GaAs is provided as shown in FIG.

【0039】図5には、この構造によって実現されるバ
ンド構造を示した。コレクタバイアスは、増倍層412
に集中し、バッファ層420のポテンシャル分布に大き
な影響を与えない。このため、フィルタとしてのショッ
トキーバリアは、その機能を温存し、増倍機構を増強し
つつ、良好なフィルタ効果を実現できる。これによっ
て、従来のSVT素子に比べ、10倍以上の信号電流レ
ベルが実現された。
FIG. 5 shows a band structure realized by this structure. The collector bias is the multiplication layer 412.
, And does not significantly affect the potential distribution of the buffer layer 420. Therefore, the Schottky barrier as a filter can retain its function and enhance the multiplication mechanism while realizing a good filter effect. As a result, a signal current level 10 times or more that of the conventional SVT element was realized.

【0040】図6は本発明の第3実施例を示すスピンバ
ルブトランジスタの構成図である。なお、従来のスピン
バルブトランジスタの構成と同じ部分については、同じ
符号を付してそれらの説明は省略する。
FIG. 6 is a block diagram of a spin valve transistor showing a third embodiment of the present invention. The same parts as those of the conventional spin valve transistor are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

【0041】図3に示す第1実施例に記載のSVT素子
において、コレクタ電極に印加するバイアス電圧の増加
とともに、「ショットキーバリアによる高エネルギー電
子のフィルタ効果」が弱められる効果を減ずる、他の方
法を示したものが、この実施例である。この実施例の図
6の構造は、高濃度ドープ型GaAs半導体基板402
上に、n型GaAs層416、p型GaAsからなるバ
ッファ層414を順次積層したものである。
In the SVT element according to the first embodiment shown in FIG. 3, as the bias voltage applied to the collector electrode is increased, the effect of weakening the "filtering effect of high energy electrons by the Schottky barrier" is reduced. This example illustrates the method. The structure of FIG. 6 of this embodiment has a heavily doped GaAs semiconductor substrate 402.
An n-type GaAs layer 416 and a buffer layer 414 made of p-type GaAs are sequentially laminated on top.

【0042】図5の構造で実現されるバンド構造を図6
に示す。上記n型GaAs層416とバッファ層414
の界面に形成されるpn接合に、逆方向バイアスが与え
られると、電界はpn接合付近の空乏層に集中し、電子
増倍機構を生じる。
The band structure realized by the structure of FIG. 5 is shown in FIG.
Shown in. The n-type GaAs layer 416 and the buffer layer 414
When a reverse bias is applied to the pn junction formed at the interface of, the electric field concentrates on the depletion layer near the pn junction, and an electron multiplication mechanism occurs.

【0043】そのため、第一の磁性体層202とp型G
aAs層414の界面付近のポテンシャル分布は大きな
変動を受けることなく、大きな逆方向バイアスを印加す
ることができ、大きな増倍機構が得られる。これによっ
て、従来のSVT素子に比べ、10倍以上の信号電流レ
ベルが実現された。
Therefore, the first magnetic layer 202 and the p-type G
The potential distribution in the vicinity of the interface of the aAs layer 414 is not greatly changed, a large reverse bias can be applied, and a large multiplication mechanism can be obtained. As a result, a signal current level 10 times or more that of the conventional SVT element was realized.

【0044】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made based on the spirit of the present invention, and these modifications are not excluded from the scope of the present invention.

【0045】[0045]

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。
As described in detail above, according to the present invention, the following effects can be achieved.

【0046】(A)磁気抵抗変化の大幅な向上による信
号レベルの減少を抑えて信号体雑音比を高めることがで
きる。
(A) The signal-to-noise ratio can be increased by suppressing a decrease in signal level due to a great improvement in magnetic resistance change.

【0047】(B)スピンバルブトランジスタの出力電
流レベルを、従来のものから5倍乃至10倍へと向上さ
せることができる。
(B) The output current level of the spin valve transistor can be increased to 5 to 10 times that of the conventional one.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明によるスピンバルブトランジスタ素子の
基本構成を示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing a basic configuration of a spin valve transistor element according to the present invention.

【図2】図2に示すスピンバルブトランジスタ素子のバ
ンド構造を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a band structure of the spin valve transistor element shown in FIG.

【図3】本発明の第1実施例を示すスピンバルブトラン
ジスタ素子の断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view of a spin valve transistor element showing the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第2実施例を示すスピンバルブトラン
ジスタ素子の断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view of a spin valve transistor device showing a second embodiment of the present invention.

【図5】図4に示すスピンバルブトランジスタ素子のバ
ンド構造を示す図である。
5 is a diagram showing a band structure of the spin valve transistor element shown in FIG.

【図6】本発明の第3実施例を示すスピンバルブトラン
ジスタ素子の断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view of a spin valve transistor element showing a third embodiment of the present invention.

【図7】図6に示すスピンバルブトランジスタ素子のバ
ンド構造を示す図である。
7 is a diagram showing a band structure of the spin valve transistor element shown in FIG.

【図8】従来のスピンバルブトランジスタ素子の断面図
である。
FIG. 8 is a sectional view of a conventional spin valve transistor element.

【図9】図8に示すスピンバルブトランジスタ素子のバ
ンド構造を示す図である。
9 is a diagram showing a band structure of the spin valve transistor element shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

100,102 第二の磁性体層 200,202 第一の磁性体層 300 トンネルバリア層 302 酸化アルミニウム層によるトンネルバリア層 400 半導体基板(半導体層) 401 オーミックコンタクト領域 402 高濃度ドープn型GaAs半導体基板 410 低濃度ドープ半導体層からなる増倍層 412 低濃度ドープ型GaAsによる増倍層 414 p型GaAsからなるバッファ層 416 n型GaAs層 420 高濃度ドープn型GaAsからなるバッファ
層 510 エミッタ電極 530 ベース電極 550,650 コレクタ電極 610 エミッタ電流 630 ベース電流 710 エミッタ電圧 750 コレクタ電圧 800 外部磁界 HE ホットエレクトロン
100, 102 second magnetic layer 200, 202 first magnetic layer 300 tunnel barrier layer 302 tunnel barrier layer made of aluminum oxide layer 400 semiconductor substrate (semiconductor layer) 401 ohmic contact region 402 heavily doped n-type GaAs semiconductor substrate 410 Multiply layer 4 composed of lightly doped semiconductor layer 412 Multiply layer 4 composed of lightly doped GaAs 414 Buffer layer 416 composed of p-type GaAs n-type GaAs layer 420 Buffer layer 510 composed of heavily doped n-type GaAs 5 Emitter electrode 530 Base Electrodes 550 and 650 Collector electrode 610 Emitter current 630 Base current 710 Emitter voltage 750 Collector voltage 800 External magnetic field HE Hot electron

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秋永 広幸 茨城県つくば市東1−1−1 独立行政法 人産業技術総合研究所つくばセンター内 (72)発明者 本田 元就 東京都豊島区南大塚1−16−1−103 (72)発明者 樽茶 清悟 東京都新宿区戸山3−1−2 早稲田社宅 405 (72)発明者 大野 圭司 東京都豊島区要町1−8−6 豊田ビル 401 (72)発明者 横山 浩 茨城県つくば市東1−1−1 独立行政法 人産業技術総合研究所つくばセンター内   ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Hiroyuki Akinaga             1-1-1 Higashi 1-1-1 Tsukuba City, Ibaraki Prefecture             Inside the Tsukuba Center, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (72) Inventor Motohisa Honda             1-16-1-103 Minamiootsuka, Toshima-ku, Tokyo (72) Inventor Tarucha Seigo             3-1-2 Toyama, Shinjuku-ku, Tokyo Waseda company housing             405 (72) Inventor Keiji Ohno             1-8-6 Kanamemachi, Toshima-ku, Tokyo Toyota Building             401 (72) Inventor Hiroshi Yokoyama             1-1-1 Higashi 1-1-1 Tsukuba City, Ibaraki Prefecture             Inside the Tsukuba Center, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体層上に直に成長させた第一の磁性
体層と、該第一の磁性体層上に、順にトンネルバリア層
と、第二の磁性体層とを積層した構造を有するスピンバ
ルブトランジスタであって、前記半導体層上にアバラン
シェブレイクダウンによる電子増倍層を設けることを特
徴とするスピンバルブトランジスタ。
1. A structure in which a first magnetic layer directly grown on a semiconductor layer, a tunnel barrier layer, and a second magnetic layer are sequentially laminated on the first magnetic layer. A spin-valve transistor having the above-mentioned spin-valve transistor, wherein an electron multiplication layer by avalanche breakdown is provided on the semiconductor layer.
【請求項2】 請求項1記載のスピンバルブトランジス
タであって、前記第一の磁性体層と、前記半導体層中に
設けたアバランシェブレイクダウンによる電子増倍層と
の間に、高濃度ドープ半導体から成るバッファ層を設け
ることを特徴とするスピンバルブトランジスタ。
2. The spin-valve transistor according to claim 1, wherein a highly-doped semiconductor is provided between the first magnetic layer and an electron multiplication layer by avalanche breakdown provided in the semiconductor layer. A spin valve transistor comprising a buffer layer made of
【請求項3】 請求項1記載のスピンバルブトランジス
タであって、前記半導体層上にn型半導体層及びp型半
導体層をこの順に成長させ、前記p型半導体層直上に、
前記第一の磁性体層を成長させ、コレクタバイアスが、
前記pn接合を逆バイアスすることによって電子増倍機
構を得ることを特徴とするスピンバルブトランジスタ。
3. The spin valve transistor according to claim 1, wherein an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer are grown on the semiconductor layer in this order, and the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer are grown directly on the p-type semiconductor layer.
The first magnetic layer is grown, and the collector bias is
A spin valve transistor, wherein an electron multiplication mechanism is obtained by reverse biasing the pn junction.
【請求項4】 請求項1、2又は3記載のスピンバルブ
トランジスタであって、前記第一の磁性体層として、1
00Å以下の厚さのFeを用いることを特徴とするスピ
ンバルブトランジスタ。
4. The spin valve transistor according to claim 1, wherein the first magnetic layer is 1
A spin-valve transistor characterized by using Fe having a thickness of 00Å or less.
【請求項5】 請求項1、2、3又は4記載のスピンバ
ルブトランジスタであって、前記半導体層としてGaA
sを用いることを特徴とするスピンバルブトランジス
タ。
5. The spin valve transistor according to claim 1, 2, 3, or 4, wherein GaA is used as the semiconductor layer.
A spin valve transistor characterized by using s.
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