JP2003289163A - スピンバルブトランジスタ - Google Patents
スピンバルブトランジスタInfo
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- JP2003289163A JP2003289163A JP2002090682A JP2002090682A JP2003289163A JP 2003289163 A JP2003289163 A JP 2003289163A JP 2002090682 A JP2002090682 A JP 2002090682A JP 2002090682 A JP2002090682 A JP 2002090682A JP 2003289163 A JP2003289163 A JP 2003289163A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 電流透過率を向上させ、高密度磁気記録用素
子として用いることが可能な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。 【解決手段】 磁化方向（Ｍ）が第１の方向に実質的に
固着された磁性体膜を有する磁化固定層（ＭＰ）と、磁
化方向（Ｍ）が外部磁界に対応して変化する磁性体膜を
有する磁化自由層（ＭＦ）と、前記磁化固定層と前記磁
化自由層との間に設けられた非磁性層（ＮＭ）と、を有
するベース部（Ｂ）と、磁化方向（Ｍ）が前記第１の方
向とほぼ同一の方向に実質的に固着された磁性体膜（Ｆ
Ｍ）を有するエミッタ部（Ｅ）と、前記ベース部と前記
エミッタ部との間に設けられた絶縁性の障壁層（ＴＢ）
と、を備えたことを特徴とするスピンバルブトランジス
タを提供する。
子として用いることが可能な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。 【解決手段】 磁化方向（Ｍ）が第１の方向に実質的に
固着された磁性体膜を有する磁化固定層（ＭＰ）と、磁
化方向（Ｍ）が外部磁界に対応して変化する磁性体膜を
有する磁化自由層（ＭＦ）と、前記磁化固定層と前記磁
化自由層との間に設けられた非磁性層（ＮＭ）と、を有
するベース部（Ｂ）と、磁化方向（Ｍ）が前記第１の方
向とほぼ同一の方向に実質的に固着された磁性体膜（Ｆ
Ｍ）を有するエミッタ部（Ｅ）と、前記ベース部と前記
エミッタ部との間に設けられた絶縁性の障壁層（ＴＢ）
と、を備えたことを特徴とするスピンバルブトランジス
タを提供する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、スピンバルブトラ
ンジスタに関し、より詳細には、高密度磁気記録読み出
し用磁気ヘッドなどの磁気センサーや、磁性ＲＡＭ（Ｍ
ＲＡＭ：MagneticRandom Access Memory）あるいは磁性
ＲＯＭ（ＭＲＯＭ：Magnetic Read OnlyMemory）などの
高密度記憶素子などとして用いて好適なスピンバルブト
ランジスタに関する。
ンジスタに関し、より詳細には、高密度磁気記録読み出
し用磁気ヘッドなどの磁気センサーや、磁性ＲＡＭ（Ｍ
ＲＡＭ：MagneticRandom Access Memory）あるいは磁性
ＲＯＭ（ＭＲＯＭ：Magnetic Read OnlyMemory）などの
高密度記憶素子などとして用いて好適なスピンバルブト
ランジスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】巨大磁気抵抗効果（Giant MagnetoResis
tance effect:ＧＭＲ効果）を利用したＧＭＲヘッドの
登場以来、磁気記録の記録密度は、年率１００パーセン
トの割合で向上している。
tance effect:ＧＭＲ効果）を利用したＧＭＲヘッドの
登場以来、磁気記録の記録密度は、年率１００パーセン
トの割合で向上している。
【０００３】ＧＭＲ素子は、強磁性層／非磁性層／強磁
性層というサンドイッチ構造の積層膜からなる。ＧＭＲ
素子は、一方の強磁性層（「磁化固定層」あるいは「ピ
ン層」などと称される）に交換バイアスを及ぼしてその
磁化を固定し、他方の強磁性層（「磁化自由層」あるい
は「フリー層」などと称される）の磁化を外部磁界によ
り磁化反転させることにより、２つの強磁性層の磁化方
向の相対角度の変化を抵抗値の変化として検出する、い
わゆる「スピンバルブ膜」の磁気抵抗効果を利用した素
子である。
性層というサンドイッチ構造の積層膜からなる。ＧＭＲ
素子は、一方の強磁性層（「磁化固定層」あるいは「ピ
ン層」などと称される）に交換バイアスを及ぼしてその
磁化を固定し、他方の強磁性層（「磁化自由層」あるい
は「フリー層」などと称される）の磁化を外部磁界によ
り磁化反転させることにより、２つの強磁性層の磁化方
向の相対角度の変化を抵抗値の変化として検出する、い
わゆる「スピンバルブ膜」の磁気抵抗効果を利用した素
子である。
【０００４】スピンバルブ膜の膜面に電流を流し、抵抗
変化を検出するＣＩＰ（Current-inPlane）型ＧＭＲ素
子と、スピンバルブ膜の膜面に垂直に電流を流し抵抗変
化を検出するＣＰＰ（Current-Perpendicular-to-Plan
e）型ＧＭＲ素子が開発されている。その磁気抵抗比
（ＭＲ比）は、ＣＩＰ型ＧＭＲ素子、ＣＰＰ型ＧＭＲ素
子ともに数パーセント程度であり、２００Gbit／inch２
程度の記録密度まで対応可能であろうと考えられてい
る。
変化を検出するＣＩＰ（Current-inPlane）型ＧＭＲ素
子と、スピンバルブ膜の膜面に垂直に電流を流し抵抗変
化を検出するＣＰＰ（Current-Perpendicular-to-Plan
e）型ＧＭＲ素子が開発されている。その磁気抵抗比
（ＭＲ比）は、ＣＩＰ型ＧＭＲ素子、ＣＰＰ型ＧＭＲ素
子ともに数パーセント程度であり、２００Gbit／inch２
程度の記録密度まで対応可能であろうと考えられてい
る。
【０００５】一方、より高密度な磁気記録に対応するた
め、トンネル磁気抵抗効果（Tunneling MagnetoResista
nce effect：ＴＭＲ効果）を利用したＴＭＲ素子の開発
が進められている。ＴＭＲ素子は、強磁性層／絶縁体／
強磁性層の積層膜からなり、これら強磁性層の間に電圧
を印加してトンネル電流を流す。ＴＭＲ素子は、トンネ
ル電流の大きさが両側の強磁性層の磁化の向きによって
変化することを利用し、磁化の相対的角度の変化をトン
ネル抵抗値の変化として検出する素子である。そのＭＲ
比としては、最大で５０パーセント程度の素子が得られ
ている。
め、トンネル磁気抵抗効果（Tunneling MagnetoResista
nce effect：ＴＭＲ効果）を利用したＴＭＲ素子の開発
が進められている。ＴＭＲ素子は、強磁性層／絶縁体／
強磁性層の積層膜からなり、これら強磁性層の間に電圧
を印加してトンネル電流を流す。ＴＭＲ素子は、トンネ
ル電流の大きさが両側の強磁性層の磁化の向きによって
変化することを利用し、磁化の相対的角度の変化をトン
ネル抵抗値の変化として検出する素子である。そのＭＲ
比としては、最大で５０パーセント程度の素子が得られ
ている。
【０００６】ＴＭＲ素子は、ＧＭＲ素子よりもＭＲ比が
大きいため、信号電圧も大きくなる。しかしながら、純
粋な信号成分だけでなく、ショットノイズによる雑音成
分も大きくなり、Ｓ／Ｎ比（信号対雑音比）がよくなら
ないという問題を抱えている。ショットノイズは、電子
がトンネル障壁を不規則に通過することによって発生す
る電流の揺らぎに起因しており、トンネル抵抗に比例し
て増大する。従ってショットノイズを抑え、必要な信号
電圧を得るには、トンネル絶縁層を薄くし、トンネル抵
抗を低抵抗化する必要がある。
大きいため、信号電圧も大きくなる。しかしながら、純
粋な信号成分だけでなく、ショットノイズによる雑音成
分も大きくなり、Ｓ／Ｎ比（信号対雑音比）がよくなら
ないという問題を抱えている。ショットノイズは、電子
がトンネル障壁を不規則に通過することによって発生す
る電流の揺らぎに起因しており、トンネル抵抗に比例し
て増大する。従ってショットノイズを抑え、必要な信号
電圧を得るには、トンネル絶縁層を薄くし、トンネル抵
抗を低抵抗化する必要がある。
【０００７】記録密度が高密度化するほど、記録ビット
サイズは小さくなり、素子サイズも記録ビットと同程度
のサイズに小さくする必要がある。このため、高密度に
なるほど、トンネル絶縁層の接合抵抗を小さく、つま
り、絶縁層を薄くする必要がある。３００Ｇｂｉｔ／ｉ
ｎｃｈ２の記録密度では、１Ω・ｃｍ２以下の接合抵抗
が必要とされ、Ａｌ−Ｏ（アルミニウム酸化膜）トンネ
ル絶縁層の膜厚に換算して原子２層分の厚さのトンネル
絶縁層を形成しなければならない。
サイズは小さくなり、素子サイズも記録ビットと同程度
のサイズに小さくする必要がある。このため、高密度に
なるほど、トンネル絶縁層の接合抵抗を小さく、つま
り、絶縁層を薄くする必要がある。３００Ｇｂｉｔ／ｉ
ｎｃｈ２の記録密度では、１Ω・ｃｍ２以下の接合抵抗
が必要とされ、Ａｌ−Ｏ（アルミニウム酸化膜）トンネ
ル絶縁層の膜厚に換算して原子２層分の厚さのトンネル
絶縁層を形成しなければならない。
【０００８】しかし、トンネル絶縁層を薄くするほど素
子両端の電極間の短絡が生じやすくなり、ＭＲ比の低下
を招くため、素子の作製は飛躍的に困難になっていく。
以上の理由によってＴＭＲ素子の限界は３００Ｇｂｉｔ
／ｉｎｃｈ２であろうと見積もられている。
子両端の電極間の短絡が生じやすくなり、ＭＲ比の低下
を招くため、素子の作製は飛躍的に困難になっていく。
以上の理由によってＴＭＲ素子の限界は３００Ｇｂｉｔ
／ｉｎｃｈ２であろうと見積もられている。
【０００９】一方、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子といった二
端子素子とは異なる、「スピンバルブトランジスタ」と
いわれる三端子素子の開発が行われている。素子構造に
は、ＳＭＳ（Semiconductor- Metal- Semiconductor）
型とＭＩＭＳ（Metal- Insulator- Metal- Semiconduct
or）型とがあるが、いずれもベース層がスピンバルブ膜
からなる二重接合三端子素子である。
端子素子とは異なる、「スピンバルブトランジスタ」と
いわれる三端子素子の開発が行われている。素子構造に
は、ＳＭＳ（Semiconductor- Metal- Semiconductor）
型とＭＩＭＳ（Metal- Insulator- Metal- Semiconduct
or）型とがあるが、いずれもベース層がスピンバルブ膜
からなる二重接合三端子素子である。
【００１０】これらのトランジスタは、エミッタからベ
ース層にホットエレクトロンを注入すると、ホットエレ
クトロンがベース層内でスピンに依存した散乱を受ける
ため、スピンバルブ膜の磁化の相対的向きによってコレ
クタ電流が大きく変化するという、ホットエレクトロン
の磁気抵抗効果を利用した素子である。そして、ＧＭＲ
素子やＴＭＲ素子よりも高い感度で磁気検出が可能であ
る。
ース層にホットエレクトロンを注入すると、ホットエレ
クトロンがベース層内でスピンに依存した散乱を受ける
ため、スピンバルブ膜の磁化の相対的向きによってコレ
クタ電流が大きく変化するという、ホットエレクトロン
の磁気抵抗効果を利用した素子である。そして、ＧＭＲ
素子やＴＭＲ素子よりも高い感度で磁気検出が可能であ
る。
【００１１】しかしながら、スピントランジスタは、電
流透過率（エミッタ電流Ｉｅに対するコレクタ電流Ｉｃ
の比）が１０−３程度と非常に小さく、コレクタ電流が
小さいため、配線の浮遊容量によって高速な読み出し動
作が困難であるという問題を有する。コレクタ電流を増
すためにエミッタ電流を大きくすると、エミッタから注
入した電流のほとんどがベース層に流れ込むため、素子
サイズを小さくしていくと薄いベース層の臨界電流値を
超えてしまい、エレクトロマイグレーションが起こり、
素子が劣化あるいは破壊する。
流透過率（エミッタ電流Ｉｅに対するコレクタ電流Ｉｃ
の比）が１０−３程度と非常に小さく、コレクタ電流が
小さいため、配線の浮遊容量によって高速な読み出し動
作が困難であるという問題を有する。コレクタ電流を増
すためにエミッタ電流を大きくすると、エミッタから注
入した電流のほとんどがベース層に流れ込むため、素子
サイズを小さくしていくと薄いベース層の臨界電流値を
超えてしまい、エレクトロマイグレーションが起こり、
素子が劣化あるいは破壊する。
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
スピンバルブトランジスタは大きなＭＲ比を有するもの
の、電流透過率が小さいため、高速動作できないという
問題を有する。本発明は、かかる課題の認識に基づいて
なされたものであり、その目的は、電流透過率を向上さ
せ、高密度磁気記録用素子として用いることが可能なス
ピンバルブトランジスタを提供することにある。
スピンバルブトランジスタは大きなＭＲ比を有するもの
の、電流透過率が小さいため、高速動作できないという
問題を有する。本発明は、かかる課題の認識に基づいて
なされたものであり、その目的は、電流透過率を向上さ
せ、高密度磁気記録用素子として用いることが可能なス
ピンバルブトランジスタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の第１のスピントランジスタは、磁化方向が
第１の方向に実質的に固着された磁性体膜を有する磁化
固定層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁性
体膜を有する磁化自由層と、前記磁化固定層と前記磁化
自由層との間に設けられた非磁性層と、を有するベース
部と、磁化方向が前記第１の方向とほぼ同一の方向に実
質的に固着された磁性体膜を有するエミッタ部と、前記
ベース部と前記エミッタ部との間に設けられた絶縁性の
障壁層と、を備えたことを特徴とする。
め、本発明の第１のスピントランジスタは、磁化方向が
第１の方向に実質的に固着された磁性体膜を有する磁化
固定層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁性
体膜を有する磁化自由層と、前記磁化固定層と前記磁化
自由層との間に設けられた非磁性層と、を有するベース
部と、磁化方向が前記第１の方向とほぼ同一の方向に実
質的に固着された磁性体膜を有するエミッタ部と、前記
ベース部と前記エミッタ部との間に設けられた絶縁性の
障壁層と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】上記構成によれば、ダウンスピン電子に比
べてより多くのアップスピン電子をベース部に注入する
ことができる。アップスピン電子は、ダウンスピン電子
に比べて散乱を受けにくいので、注入電子のうちアップ
スピン電子の割合を大きくすることにより、電流透過率
を大きくすることができる。
べてより多くのアップスピン電子をベース部に注入する
ことができる。アップスピン電子は、ダウンスピン電子
に比べて散乱を受けにくいので、注入電子のうちアップ
スピン電子の割合を大きくすることにより、電流透過率
を大きくすることができる。
【００１３】また、前記ベース部の前記エミッタ部とは
反対側に設けられ、半導体からなるコレクタ部をさらに
備えたものとすれば、半導体ウェーハの上にスピンバル
ブトランジスタと、他の能動素子あるいは受動素子とを
集積化することが可能となる。
反対側に設けられ、半導体からなるコレクタ部をさらに
備えたものとすれば、半導体ウェーハの上にスピンバル
ブトランジスタと、他の能動素子あるいは受動素子とを
集積化することが可能となる。
【００１４】ここで、前記磁化固定層または前記磁化自
由層が前記障壁層に接して設けられたものとすれば、特
に電流透過率を高くすることが可能となる。
由層が前記障壁層に接して設けられたものとすれば、特
に電流透過率を高くすることが可能となる。
【００１５】また、前記ベース部は、前記コレクタ部に
接して設けられた非磁性層をさらに有するものとすれ
ば、半導体からなるコレクタ部とベース部を構成する金
属層との間のショットキー障壁を調節し、電流透過率を
上げることが可能となる。
接して設けられた非磁性層をさらに有するものとすれ
ば、半導体からなるコレクタ部とベース部を構成する金
属層との間のショットキー障壁を調節し、電流透過率を
上げることが可能となる。
【００１６】また、前記磁性体膜は、鉄（Ｆｅ）、コバ
ルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）の少なくともいずれ
かを含むものとすれば、アップスピン電子とダウンスピ
ン電子の割合を大きくずらすことが可能となり、電子透
過率を大きくすることが可能となる。
ルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）の少なくともいずれ
かを含むものとすれば、アップスピン電子とダウンスピ
ン電子の割合を大きくずらすことが可能となり、電子透
過率を大きくすることが可能となる。
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
実施の形態について説明する。
実施の形態について説明する。
【００１７】まず、本発明のスピンバルブトランジスタ
の基本構成について説明する。
の基本構成について説明する。
【００１８】図１は、本発明のスピンバルブトランジス
タの基本構成を表す概念図である。まず、同図（ａ）に
例示したスピンバルブトランジスタの場合、半導体層
Ｓ、磁化自由層ＭＦ／非磁性層ＮＭ／磁化固定層ＭＰか
らなるスピンバルブ膜、障壁層ＴＢ、強磁性層ＦＭが積
層されている。ここで、半導体層ＳはコレクタＣとして
作用し、スピンバルブ膜はベースＢとして作用し、強磁
性層ＦＭはエミッタＥとして作用する。
タの基本構成を表す概念図である。まず、同図（ａ）に
例示したスピンバルブトランジスタの場合、半導体層
Ｓ、磁化自由層ＭＦ／非磁性層ＮＭ／磁化固定層ＭＰか
らなるスピンバルブ膜、障壁層ＴＢ、強磁性層ＦＭが積
層されている。ここで、半導体層ＳはコレクタＣとして
作用し、スピンバルブ膜はベースＢとして作用し、強磁
性層ＦＭはエミッタＥとして作用する。
【００１９】ベースＢが有する２つ磁化固定層ＭＰ及び
ＭＦには、保磁力の差が設けられている。保磁力が大き
い層は、その磁化Ｍが実質的に一方向に固定された磁化
固定層ＭＰとして作用する。また、保磁力が小さい層
は、その磁化Ｍの方向が外部からの磁界により変化しう
る磁化自由層ＭＦとして作用する。
ＭＦには、保磁力の差が設けられている。保磁力が大き
い層は、その磁化Ｍが実質的に一方向に固定された磁化
固定層ＭＰとして作用する。また、保磁力が小さい層
は、その磁化Ｍの方向が外部からの磁界により変化しう
る磁化自由層ＭＦとして作用する。
【００２０】障壁層ＴＢを介して積層された強磁性層Ｆ
Ｍがエミッタ部であり、その磁化Ｍは、ベースＢの磁化
固定層ＭＰの磁化Ｍと同じ方向に固定されている。
Ｍがエミッタ部であり、その磁化Ｍは、ベースＢの磁化
固定層ＭＰの磁化Ｍと同じ方向に固定されている。
【００２１】但し、スピンバルブ膜の積層順序は、この
逆でも良い。
逆でも良い。
【００２２】図１（ｂ）は、磁化固定層ＭＰと磁化自由
層ＭＦの積層順序を反転させた構造を表す模式図であ
る。
層ＭＦの積層順序を反転させた構造を表す模式図であ
る。
【００２３】これらのスピンバルブトランジスタにおい
ては、ホットエレクトロンＨＥがエミッタＥからコレク
タＣに向けて走行する。エミッタＥとベースＢとの間に
は障壁層ＴＢが設けられているが、ホットエレクトロン
ＨＥは、この障壁層ＴＢをトンネリングにより超えてベ
ースＢに流入する。また、ベースＢの磁化固定層ＭＰ
（ＭＦ）とコレクタＣの半導体層Ｓとの間には、ショッ
トキー障壁が形成されているが、ホットエレクトロンＨ
Ｅは、このショットキー障壁を超えてコレクタＣに流入
する。
ては、ホットエレクトロンＨＥがエミッタＥからコレク
タＣに向けて走行する。エミッタＥとベースＢとの間に
は障壁層ＴＢが設けられているが、ホットエレクトロン
ＨＥは、この障壁層ＴＢをトンネリングにより超えてベ
ースＢに流入する。また、ベースＢの磁化固定層ＭＰ
（ＭＦ）とコレクタＣの半導体層Ｓとの間には、ショッ
トキー障壁が形成されているが、ホットエレクトロンＨ
Ｅは、このショットキー障壁を超えてコレクタＣに流入
する。
【００２４】そして、これらのトランジスタにおいて
は、エミッタＥからベースＢにホットエレクトロンＨＥ
を注入すると、ホットエレクトロンＨＥがベースＢの磁
化固定層ＭＰ、ＭＦにおいてスピンに依存した散乱を受
ける。このため、スピンバルブ膜の磁化Ｍの相対的向き
によってコレクタ電流が大きく変化するという、ホット
エレクトロンの磁気抵抗効果を利用して、磁気的な情報
の高感度な検出や読み出しが可能となる。
は、エミッタＥからベースＢにホットエレクトロンＨＥ
を注入すると、ホットエレクトロンＨＥがベースＢの磁
化固定層ＭＰ、ＭＦにおいてスピンに依存した散乱を受
ける。このため、スピンバルブ膜の磁化Ｍの相対的向き
によってコレクタ電流が大きく変化するという、ホット
エレクトロンの磁気抵抗効果を利用して、磁気的な情報
の高感度な検出や読み出しが可能となる。
【００２５】スピンバルブ膜の磁化Ｍが平行、すなわち
磁化固定層ＭＰの磁化Ｍと磁化自由層ＭＦの磁化Ｍとが
平行の場合にコレクタ電流は最大となり、これらが反平
行の場合にコレクタ電流は最小となる。磁化Ｍが平行／
反平行のコレクタ電流比（ＭＲ比）としては、３００パ
ーセントあるいはそれ以上の値を得ることが可能であ
る。この値は、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子より１桁程度大
きく、より高密度な磁気記録用の再生ヘッドを実現でき
る可能性がある。
磁化固定層ＭＰの磁化Ｍと磁化自由層ＭＦの磁化Ｍとが
平行の場合にコレクタ電流は最大となり、これらが反平
行の場合にコレクタ電流は最小となる。磁化Ｍが平行／
反平行のコレクタ電流比（ＭＲ比）としては、３００パ
ーセントあるいはそれ以上の値を得ることが可能であ
る。この値は、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子より１桁程度大
きく、より高密度な磁気記録用の再生ヘッドを実現でき
る可能性がある。
【００２６】そして、本発明においては、このようなス
ピンバルブトランジスタにおいて、エミッタＥを強磁性
体ＦＭにより形成し、その磁化ＭをベースＢの磁化固定
層ＭＰと同方向に固定することにより、電流透過率を上
げることができる。以下、このメカニズムについて説明
する。
ピンバルブトランジスタにおいて、エミッタＥを強磁性
体ＦＭにより形成し、その磁化ＭをベースＢの磁化固定
層ＭＰと同方向に固定することにより、電流透過率を上
げることができる。以下、このメカニズムについて説明
する。
【００２７】図２は、図１（ａ）に表したスピンバルブ
トランジスタのエネルギーダイアグラム図である。
トランジスタのエネルギーダイアグラム図である。
【００２８】本発明のトランジスタを動作させる際に
は、エミッタＥとベースＢとに電圧を印加し、エミッタ
ＥからコレクタＣにホットエレクトロンＨＥを注入す
る。そして、エミッタＥを構成する強磁性層ＦＭの磁化
Ｍは、ベースＢの磁化固定層ＭＰと同じ方向に固定され
ている。
は、エミッタＥとベースＢとに電圧を印加し、エミッタ
ＥからコレクタＣにホットエレクトロンＨＥを注入す
る。そして、エミッタＥを構成する強磁性層ＦＭの磁化
Ｍは、ベースＢの磁化固定層ＭＰと同じ方向に固定され
ている。
【００２９】エミッタＥからベースＢに注入された電子
（ホットエレクトロン）ＨＥは、ベースＢの層内でスピ
ンに依存した散乱を受け、注入された電子ＨＥの一部
が、ベースＢ・コレクタＣ間のショットキー障壁を越え
てコレクタＣに到達し、コレクタ電流として素子外に流
れ出る。
（ホットエレクトロン）ＨＥは、ベースＢの層内でスピ
ンに依存した散乱を受け、注入された電子ＨＥの一部
が、ベースＢ・コレクタＣ間のショットキー障壁を越え
てコレクタＣに到達し、コレクタ電流として素子外に流
れ出る。
【００３０】このトランジスタのＭＲ比は、磁化固定層
ＭＰ（ＭＦ）の磁化Ｍに平行なスピン磁気能率を持った
電子（アップスピン電子）と反平行なスピン磁気能率を
持った電子（ダウンスピン電子）の伝導度が磁性積層膜
中で等価でないことから生じる。強磁性層の中では、ダ
ウンスピン電子はアップスピン電子よりも散乱を受けや
すい。つまり、ダウンスピン電子の伝導度はアップスピ
ン電子の伝導度よりも低い。
ＭＰ（ＭＦ）の磁化Ｍに平行なスピン磁気能率を持った
電子（アップスピン電子）と反平行なスピン磁気能率を
持った電子（ダウンスピン電子）の伝導度が磁性積層膜
中で等価でないことから生じる。強磁性層の中では、ダ
ウンスピン電子はアップスピン電子よりも散乱を受けや
すい。つまり、ダウンスピン電子の伝導度はアップスピ
ン電子の伝導度よりも低い。
【００３１】ここでは、ベースＢのスピンバルブ膜の磁
化が平行な状態、つまり、磁化固定層ＭＰの磁化Ｍと磁
化自由層ＭＦの磁化Ｍとが互いに平行である場合につい
て説明する。
化が平行な状態、つまり、磁化固定層ＭＰの磁化Ｍと磁
化自由層ＭＦの磁化Ｍとが互いに平行である場合につい
て説明する。
【００３２】エミッタＥに非磁性体を用いた場合には、
スピン偏極のない電子流がベースＢに注入される。すな
わち同じ数のアップスピンとダウンスピンが注入され
る。これに対して、本発明に基づき、磁化固定層ＭＰと
同じ方向に磁化された強磁性層ＦＭをエミッタＥとして
設けた場合には、ダウンスピンに比べてより多くのアッ
プスピンが注入される。
スピン偏極のない電子流がベースＢに注入される。すな
わち同じ数のアップスピンとダウンスピンが注入され
る。これに対して、本発明に基づき、磁化固定層ＭＰと
同じ方向に磁化された強磁性層ＦＭをエミッタＥとして
設けた場合には、ダウンスピンに比べてより多くのアッ
プスピンが注入される。
【００３３】上述したように、アップスピン電子はダウ
ンスピン電子に比べて散乱を受けにくいので、注入電子
のうちアップスピン電子の割合が多くなるほうが電流透
過率が大きくなる。つまり、本発明によって強磁性層Ｆ
ＭをエミッタＥとしてを用いた場合の方が、非磁性体を
エミッタＥとしてを用いた場合よりも電流透過率が大き
くなる。
ンスピン電子に比べて散乱を受けにくいので、注入電子
のうちアップスピン電子の割合が多くなるほうが電流透
過率が大きくなる。つまり、本発明によって強磁性層Ｆ
ＭをエミッタＥとしてを用いた場合の方が、非磁性体を
エミッタＥとしてを用いた場合よりも電流透過率が大き
くなる。
【００３４】ベースＢを構成するスピンバルブ膜の磁化
が反平行の場合、すなわち、磁化固定層ＭＰと磁化自由
層ＭＦの磁化が反平行の場合も、エミッタＥとして磁化
固定層ＭＰと同方向に磁化Ｍを固定した強磁性層ＦＭを
用いることにより、電流透過率の向上の効果は得られ
る。
が反平行の場合、すなわち、磁化固定層ＭＰと磁化自由
層ＭＦの磁化が反平行の場合も、エミッタＥとして磁化
固定層ＭＰと同方向に磁化Ｍを固定した強磁性層ＦＭを
用いることにより、電流透過率の向上の効果は得られ
る。
【００３５】以上説明したように、本発明によれば、エ
ミッタＥを強磁性体からなる層により形成し、その磁化
ＭをベースＢの磁化固定層ＭＰの磁化と平行な方向に固
定する。こうすることにより、電流透過率を上げること
ができ、コレクタ電流を増大できる。その結果として、
配線の浮遊容量による読み出し速度の低下を抑制し、高
速な読み出し動作が可能となる。また、コレクタ電流を
増加するためにエミッタ電流を大きくする必要もなくな
るため、エレクトロマイグレーションなどによる素子の
劣化や破壊も防ぐことができる。
ミッタＥを強磁性体からなる層により形成し、その磁化
ＭをベースＢの磁化固定層ＭＰの磁化と平行な方向に固
定する。こうすることにより、電流透過率を上げること
ができ、コレクタ電流を増大できる。その結果として、
配線の浮遊容量による読み出し速度の低下を抑制し、高
速な読み出し動作が可能となる。また、コレクタ電流を
増加するためにエミッタ電流を大きくする必要もなくな
るため、エレクトロマイグレーションなどによる素子の
劣化や破壊も防ぐことができる。
【００３６】以下、本発明のスピンバルブトランジスタ
の各部を構成する材料について説明する。
の各部を構成する材料について説明する。
【００３７】まず、コレクタＣを構成する半導体層Ｓの
材料としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）やゲルマニウ
ム（Ｇｅ）などの単体元素半導体や、ガリウム砒素（Ｇ
ａＡｓ）などの各種の化合物半導体を用いることができ
る。
材料としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）やゲルマニウ
ム（Ｇｅ）などの単体元素半導体や、ガリウム砒素（Ｇ
ａＡｓ）などの各種の化合物半導体を用いることができ
る。
【００３８】また、磁化固定層ＭＰ、磁化自由層ＭＦ、
強磁性層ＦＭは、強磁性体を含有する単層あるいは積層
構造とすることができる。例えば、強磁性体からなる単
一の層としても良いし、複数の強磁性体層の積層構造と
しても良いし、あるいは、強磁性体層とその他の層との
積層構造としてもよい。ここで用いる強磁性体の材料と
しては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎ
ｉ）などの強磁性体、あるいはこれらを含有した強磁性
を有する各種の合金を用いることができる。
強磁性層ＦＭは、強磁性体を含有する単層あるいは積層
構造とすることができる。例えば、強磁性体からなる単
一の層としても良いし、複数の強磁性体層の積層構造と
しても良いし、あるいは、強磁性体層とその他の層との
積層構造としてもよい。ここで用いる強磁性体の材料と
しては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎ
ｉ）などの強磁性体、あるいはこれらを含有した強磁性
を有する各種の合金を用いることができる。
【００３９】非磁性層ＮＭは、磁化固定層ＭＰと磁化自
由層ＭＦとの磁気的な結合を遮断する役割を有し、さら
に磁化固定層ＭＰと磁化自由層ＭＦとの間を流れるアッ
プスピン電子が散乱されないような界面を形成する役割
を有することが望ましい。その材料としては、例えば、
銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、レニウム（Ｒ
ｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリ
ジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、クロム（Ｃ
ｒ）、マンガン（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ロジ
ウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）などを用いることができ
る。その膜厚は、磁化固定層ＭＰと磁化自由層ＭＦとの
間の磁気結合が十分に遮断できる程度に厚く、流入する
アップスピン電子が散乱されない程度に薄いことが必要
であり、材料に異なるが概ね０．５〜３０ｎｍの範囲に
あることが望ましい。
由層ＭＦとの磁気的な結合を遮断する役割を有し、さら
に磁化固定層ＭＰと磁化自由層ＭＦとの間を流れるアッ
プスピン電子が散乱されないような界面を形成する役割
を有することが望ましい。その材料としては、例えば、
銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、レニウム（Ｒ
ｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリ
ジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、クロム（Ｃ
ｒ）、マンガン（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ロジ
ウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）などを用いることができ
る。その膜厚は、磁化固定層ＭＰと磁化自由層ＭＦとの
間の磁気結合が十分に遮断できる程度に厚く、流入する
アップスピン電子が散乱されない程度に薄いことが必要
であり、材料に異なるが概ね０．５〜３０ｎｍの範囲に
あることが望ましい。
【００４０】障壁層ＴＢの材料としては、酸化アルミニ
ウム（ＡｌＯｘ）などの各種の酸化物や窒化物などの電
気的な絶縁体を用いることができる。その膜厚は、ホッ
トエレクトロンＨＥがトンネリングできる程度に薄いこ
とが望ましい。
ウム（ＡｌＯｘ）などの各種の酸化物や窒化物などの電
気的な絶縁体を用いることができる。その膜厚は、ホッ
トエレクトロンＨＥがトンネリングできる程度に薄いこ
とが望ましい。
【００４１】図３は、本発明のスピンバルブトランジス
タの変型例を表す模式図である。
タの変型例を表す模式図である。
【００４２】また、図４は、これら変型例に対応したエ
ネルギーダイアグラム図である。
ネルギーダイアグラム図である。
【００４３】これらの図については、図１及び図２に関
して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して
詳細な説明は省略する。
して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して
詳細な説明は省略する。
【００４４】図３（ａ）及び（ｂ）に例示した構造の場
合、ベースＢにおいてスピンバルブ膜の両側に非磁性層
ＮＭ１、ＮＭ２が設けられている。ここで、非磁性層Ｎ
Ｍ１は、例えば、磁化固定層ＭＰ（あるいは磁化自由層
ＭＦ）と障壁層ＴＢとの間に設けるバッファ層の作用を
有する。具体的には、例えば、障壁層ＴＢを酸化アルミ
ニウムにより形成する場合に、非磁性層ＮＭ１をアルミ
ニウムからなる層とすることができる。このような非磁
性層ＮＭ１を設けることにより、磁化固定層ＭＰ（Ｍ
Ｆ）と障壁層ＴＢとが緻密に接合し、界面における物性
の乱れも抑制できる。
合、ベースＢにおいてスピンバルブ膜の両側に非磁性層
ＮＭ１、ＮＭ２が設けられている。ここで、非磁性層Ｎ
Ｍ１は、例えば、磁化固定層ＭＰ（あるいは磁化自由層
ＭＦ）と障壁層ＴＢとの間に設けるバッファ層の作用を
有する。具体的には、例えば、障壁層ＴＢを酸化アルミ
ニウムにより形成する場合に、非磁性層ＮＭ１をアルミ
ニウムからなる層とすることができる。このような非磁
性層ＮＭ１を設けることにより、磁化固定層ＭＰ（Ｍ
Ｆ）と障壁層ＴＢとが緻密に接合し、界面における物性
の乱れも抑制できる。
【００４５】また、非磁性層ＮＭ２は、例えば、半導体
層Ｓと磁化自由層ＭＦ（ＭＰ）との間に形成されるショ
ットキー接合の電流特性を改善する役割を有する。例え
ば、非磁性層ＮＭ２の材料として金（Ａｕ）などを用い
ることにより、金属／半導体界面のショットキー接合を
調節し、コレクタ電流を安定して取り出すことが可能と
なる。
層Ｓと磁化自由層ＭＦ（ＭＰ）との間に形成されるショ
ットキー接合の電流特性を改善する役割を有する。例え
ば、非磁性層ＮＭ２の材料として金（Ａｕ）などを用い
ることにより、金属／半導体界面のショットキー接合を
調節し、コレクタ電流を安定して取り出すことが可能と
なる。
【００４６】さて、本発明における電流透過率の向上の
効果は、ベースＢの磁化固定層ＭＰが障壁層ＴＢに直
接、接している場合に、より顕著に現れる。その理由に
ついて、図５を参照しつつ以下に説明する。
効果は、ベースＢの磁化固定層ＭＰが障壁層ＴＢに直
接、接している場合に、より顕著に現れる。その理由に
ついて、図５を参照しつつ以下に説明する。
【００４７】図５（ａ）は、強磁性体におけるエネルギ
ー状態密度をアップスピンおよびダウンスピン電子につ
いて表したグラフ図であり、図５（ｂ）は、非磁性体に
おける状態密度を表したグラフ図である。すなわち、こ
れらのグラフにおいて、横軸は状態密度Ｎ（Ｅ）、縦軸
はエネルギーＥをそれぞれ表す。また、横軸のゼロを中
心として、その右側がアップスピン電子、左側がダウン
スピン電子をそれぞれ表す。
ー状態密度をアップスピンおよびダウンスピン電子につ
いて表したグラフ図であり、図５（ｂ）は、非磁性体に
おける状態密度を表したグラフ図である。すなわち、こ
れらのグラフにおいて、横軸は状態密度Ｎ（Ｅ）、縦軸
はエネルギーＥをそれぞれ表す。また、横軸のゼロを中
心として、その右側がアップスピン電子、左側がダウン
スピン電子をそれぞれ表す。
【００４８】図５（ｂ）から分かるように、非磁性体内
ではアップスピン電子もダウンスピン電子も、状態密度
は同じである。エミッタＥからベースＢにトンネル注入
される電子の数は、障壁層ＴＢに接した両側の導体の状
態密度の積に比例するので、ベースＢにおいて非磁性層
が障壁層ＴＢに接している場合には、注入されるアップ
スピン電子とダウンスピン電子の数の比は、Ｄ↑／Ｄ↓
（＞１）となる。ここでＤ↑、Ｄ↓はそれぞれ強磁性体
内のフェルミ準位近くのアップスピン電子、ダウンスピ
ン電子の状態密度である。
ではアップスピン電子もダウンスピン電子も、状態密度
は同じである。エミッタＥからベースＢにトンネル注入
される電子の数は、障壁層ＴＢに接した両側の導体の状
態密度の積に比例するので、ベースＢにおいて非磁性層
が障壁層ＴＢに接している場合には、注入されるアップ
スピン電子とダウンスピン電子の数の比は、Ｄ↑／Ｄ↓
（＞１）となる。ここでＤ↑、Ｄ↓はそれぞれ強磁性体
内のフェルミ準位近くのアップスピン電子、ダウンスピ
ン電子の状態密度である。
【００４９】これに対して、強磁性体においては、図５
（ａ）に表したように、フェルミ準位近くでのアップス
ピン電子とダウンスピン電子の状態密度に差異が生ず
る。その結果として、ベースＢにおいて磁化固定層ＭＰ
が障壁層ＴＢに直接に接している場合には、電子数の比
は（Ｄ↑／Ｄ↓）２（＞＞１）となり、注入されるアッ
プスピン電子の割合がより大きくなる。
（ａ）に表したように、フェルミ準位近くでのアップス
ピン電子とダウンスピン電子の状態密度に差異が生ず
る。その結果として、ベースＢにおいて磁化固定層ＭＰ
が障壁層ＴＢに直接に接している場合には、電子数の比
は（Ｄ↑／Ｄ↓）２（＞＞１）となり、注入されるアッ
プスピン電子の割合がより大きくなる。
【００５０】前述したように、アップスピン電子の割合
が多い電子流のほうがベースＢの透過率が高くなるの
で、磁化固定層ＭＰが障壁層ＴＢに直接に接しているほ
うが電流透過率が向上する。例えば、（Ｄ↑／Ｄ↓）＝
３の場合には、（Ｄ↑／Ｄ↓） ２＝９となり、電流透過
率の大幅な増加が期待される。
が多い電子流のほうがベースＢの透過率が高くなるの
で、磁化固定層ＭＰが障壁層ＴＢに直接に接しているほ
うが電流透過率が向上する。例えば、（Ｄ↑／Ｄ↓）＝
３の場合には、（Ｄ↑／Ｄ↓） ２＝９となり、電流透過
率の大幅な増加が期待される。
【００５１】ここで、（Ｄ↑／Ｄ↓）の大きさはエミッ
タＥおよび磁化固定層ＭＰに用いる強磁性体の物性に依
存する。
タＥおよび磁化固定層ＭＰに用いる強磁性体の物性に依
存する。
【００５２】図６は、種々の強磁性体におけるアップス
ピン電子とダウンスピン電子の状態密度の割合を表すグ
ラフ図である。すなわち、同図の横軸は、強磁性体を電
子濃度に応じて配列し、縦軸は、状態密度の割合Ｐ（パ
ーセント）を表す。ここで、割合Ｐは、次式により定義
される。
ピン電子とダウンスピン電子の状態密度の割合を表すグ
ラフ図である。すなわち、同図の横軸は、強磁性体を電
子濃度に応じて配列し、縦軸は、状態密度の割合Ｐ（パ
ーセント）を表す。ここで、割合Ｐは、次式により定義
される。
【００５３】Ｐ＝（Ｄ↑−Ｄ↓）／（Ｄ↑＋Ｄ↓）
図６から、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル
（Ｎｉ）などの単体元素に比べて、これらの合金の方が
Ｐ（したがってＤ↑／Ｄ↓）が大きいことが分かる。つ
まり、電流透過率を高めるためには、強磁性体の単体元
素金属よりも適当な組成の合金を用いることが望まし
い。
（Ｎｉ）などの単体元素に比べて、これらの合金の方が
Ｐ（したがってＤ↑／Ｄ↓）が大きいことが分かる。つ
まり、電流透過率を高めるためには、強磁性体の単体元
素金属よりも適当な組成の合金を用いることが望まし
い。
【００５４】以下、実施例を参照しつつ、本発明の実施
の形態についてさらに詳細に説明する。
の形態についてさらに詳細に説明する。
【００５５】（第１の実施例）まず、本発明の第１の実
施例として、図１（ａ）に表した構造を有するスピンバ
ルブトランジスタを製作した。
施例として、図１（ａ）に表した構造を有するスピンバ
ルブトランジスタを製作した。
【００５６】すなわち、コレクタＣを構成する半導体Ｓ
として、（００１）面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板の
上に、ノンドープ（non-dope）ＧａＡｓ層をエピタキシ
ャル成長させた半導体層を用いた。
として、（００１）面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板の
上に、ノンドープ（non-dope）ＧａＡｓ層をエピタキシ
ャル成長させた半導体層を用いた。
【００５７】また、ベースＢを構成する磁化自由層Ｍ
Ｆ、非磁性層ＮＭ、磁化固定層ＭＰとしては、それぞれ
鉄（Ｆｅ）、金（Ａｕ）、鉄（Ｆｅ）をこの順番に積層
した。
Ｆ、非磁性層ＮＭ、磁化固定層ＭＰとしては、それぞれ
鉄（Ｆｅ）、金（Ａｕ）、鉄（Ｆｅ）をこの順番に積層
した。
【００５８】また、障壁層ＴＢとしては、酸化アルミニ
ウム（Ａｌ２Ｏ３）を用いた。
ウム（Ａｌ２Ｏ３）を用いた。
【００５９】そして、エミッタＥを構成する強磁性層Ｆ
Ｍとしては、鉄コバルト（Ｆｅ０． ９Ｃｏ０．１）を用
いた。
Ｍとしては、鉄コバルト（Ｆｅ０． ９Ｃｏ０．１）を用
いた。
【００６０】本実施例においては、マルチチャンバー構
成のＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）装置（バックグ
ラウンド圧力：２×１０−８Ｐａ）を用いて製作した。
その製作方法は、以下の如くである。
成のＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）装置（バックグ
ラウンド圧力：２×１０−８Ｐａ）を用いて製作した。
その製作方法は、以下の如くである。
【００６１】ます、ＭＢＥの第１チャンバー内で、ｎ＋
型ＧａＡｓ（００１）ウェーハ上にノンドープＧａＡｓ
層を１００ｎｍの厚さにエピタキシャル成長した。ＳＴ
Ｍ（Scanning Tunneling Microscopy：走査トンネル顕
微鏡）およびＲＨＥＥＤ（Reflection High Energy Ele
ctron Diffraction：高速電子線回折）による観察によ
り、ＧａＡｓ表面が砒素（Ａｓ）のダイマーにより終端
された２×４構造の表面再配列構造となっていることを
確認した。テラスの幅は、約０．５マイクロメータであ
った。
型ＧａＡｓ（００１）ウェーハ上にノンドープＧａＡｓ
層を１００ｎｍの厚さにエピタキシャル成長した。ＳＴ
Ｍ（Scanning Tunneling Microscopy：走査トンネル顕
微鏡）およびＲＨＥＥＤ（Reflection High Energy Ele
ctron Diffraction：高速電子線回折）による観察によ
り、ＧａＡｓ表面が砒素（Ａｓ）のダイマーにより終端
された２×４構造の表面再配列構造となっていることを
確認した。テラスの幅は、約０．５マイクロメータであ
った。
【００６２】次に、ウェーハをＭＢＥの第２チャンバー
内に移し、層間絶縁膜としてフッ化カルシウム（ＣａＦ
２）を２００ナノメータの厚さに形成し、ベース／コレ
クタ間ショットキー接合の面積を５０マイクロメータ×
５０マイクロメータとした。続いて、ベースＢを構成す
る鉄（Ｆｅ）１ｎｍ／金（Ａｕ）５ｎｍ／鉄（Ｆｅ）１
ｎｍ（００１）エピタキシャル薄膜の形成を順次行っ
た。この成長にはクヌードセン・セル（Knudsen cell）
を用い、０．３ナノメータ／分の成長速度で形成した。
ここで、上側の鉄（Ｆｅ）層の形成を５０００エルステ
ッド（Ｏｅ）の磁場中で行うことにより磁化Ｍを固定し
て磁化固定層ＭＰとした。
内に移し、層間絶縁膜としてフッ化カルシウム（ＣａＦ
２）を２００ナノメータの厚さに形成し、ベース／コレ
クタ間ショットキー接合の面積を５０マイクロメータ×
５０マイクロメータとした。続いて、ベースＢを構成す
る鉄（Ｆｅ）１ｎｍ／金（Ａｕ）５ｎｍ／鉄（Ｆｅ）１
ｎｍ（００１）エピタキシャル薄膜の形成を順次行っ
た。この成長にはクヌードセン・セル（Knudsen cell）
を用い、０．３ナノメータ／分の成長速度で形成した。
ここで、上側の鉄（Ｆｅ）層の形成を５０００エルステ
ッド（Ｏｅ）の磁場中で行うことにより磁化Ｍを固定し
て磁化固定層ＭＰとした。
【００６３】続いて、ＭＢＥの第３のチャンバー内で、
酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなるトンネル絶縁
膜を形成した。すなわち、酸素（Ｏ２）分圧１０−３パ
スカル（Ｐａ）の雰囲気で、アルミニウム（Ａｌ）ソー
スを用い、Ａｌ２Ｏ３を１．５ｎｍの厚さに形成した。
酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなるトンネル絶縁
膜を形成した。すなわち、酸素（Ｏ２）分圧１０−３パ
スカル（Ｐａ）の雰囲気で、アルミニウム（Ａｌ）ソー
スを用い、Ａｌ２Ｏ３を１．５ｎｍの厚さに形成した。
【００６４】次に、再びウェーハをＭＢＥの第２チャン
バーに戻し、厚さ２００ナノメータのフッ化カルシウム
（ＣａＦ２）からなる層間絶縁膜を形成して、ベースＢ
／エミッタＥ間のトンネル接合の面積を５０マイクロメ
ータ×５０マイクロメータとした。その後、エミッタＥ
として鉄コバルト（Ｆｅ０．９Ｃｏ０．１）を１００ナ
ノメータの厚みに形成した。ここで、エミッタＥの形成
は、ベースＢの磁化固定層ＭＰと同じ向きの５０００エ
ルステッド（Ｏｅ）の磁場中で行い、その磁化の向きを
固定した。
バーに戻し、厚さ２００ナノメータのフッ化カルシウム
（ＣａＦ２）からなる層間絶縁膜を形成して、ベースＢ
／エミッタＥ間のトンネル接合の面積を５０マイクロメ
ータ×５０マイクロメータとした。その後、エミッタＥ
として鉄コバルト（Ｆｅ０．９Ｃｏ０．１）を１００ナ
ノメータの厚みに形成した。ここで、エミッタＥの形成
は、ベースＢの磁化固定層ＭＰと同じ向きの５０００エ
ルステッド（Ｏｅ）の磁場中で行い、その磁化の向きを
固定した。
【００６５】このようにして製作したトランジスタの面
内に磁場を印加して、ＭＲ比およびコレクタ電流／エミ
ッタ電流比（電流透過率）の測定を行なった。その結
果、２．５ボルトの電圧を印加した状態で、ＭＲ比は１
７０パーセント、コレクタ電流／エミッタ電流の比（電
流透過率）は１．２×１０−２であった。すなわち、Ｍ
Ｒ比、電流透過率ともに高い値が得られた。
内に磁場を印加して、ＭＲ比およびコレクタ電流／エミ
ッタ電流比（電流透過率）の測定を行なった。その結
果、２．５ボルトの電圧を印加した状態で、ＭＲ比は１
７０パーセント、コレクタ電流／エミッタ電流の比（電
流透過率）は１．２×１０−２であった。すなわち、Ｍ
Ｒ比、電流透過率ともに高い値が得られた。
【００６６】（第２の実施例）次に、ベースＢの磁化固
定層ＭＰを、エミッタＥと同様の鉄コバルトにより形成
したスピンバルブトランジスタを製作した。
定層ＭＰを、エミッタＥと同様の鉄コバルトにより形成
したスピンバルブトランジスタを製作した。
【００６７】すなわち、コレクタＣを構成する半導体Ｓ
として、（００１）面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板の
上に、ノンドープ（non-dope）ＧａＡｓ層をエピタキシ
ャル成長させた半導体層を用いた。
として、（００１）面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板の
上に、ノンドープ（non-dope）ＧａＡｓ層をエピタキシ
ャル成長させた半導体層を用いた。
【００６８】また、ベースＢを構成する磁化自由層Ｍ
Ｆ、非磁性層ＮＭ、磁化固定層ＭＰとしては、それぞれ
鉄（Ｆｅ）、金（Ａｕ）、鉄コバルト（Ｆｅ０．９Ｃｏ
０．１）をこの順番に積層した。
Ｆ、非磁性層ＮＭ、磁化固定層ＭＰとしては、それぞれ
鉄（Ｆｅ）、金（Ａｕ）、鉄コバルト（Ｆｅ０．９Ｃｏ
０．１）をこの順番に積層した。
【００６９】また、障壁層ＴＢとしては、酸化アルミニ
ウム（Ａｌ２Ｏ３）を用いた。
ウム（Ａｌ２Ｏ３）を用いた。
【００７０】そして、エミッタＥを構成する強磁性層Ｆ
Ｍとしては、鉄コバルト（Ｆｅ０． ９Ｃｏ０．１）を用
いた。
Ｍとしては、鉄コバルト（Ｆｅ０． ９Ｃｏ０．１）を用
いた。
【００７１】本実施例においては、ベースＢの磁化固定
層ＭＰをエミッタ層と同じ鉄コバルトに変えた以外は、
前述した第１実施例と同様な方法でトランジスタを形成
した。
層ＭＰをエミッタ層と同じ鉄コバルトに変えた以外は、
前述した第１実施例と同様な方法でトランジスタを形成
した。
【００７２】このトランジスタに２．５Ｖの電圧を印加
した状態でのＭＲ比は１７５％、電流透過率は２．２×
１０−２と、第１実施例よりもそれぞれ向上した。
した状態でのＭＲ比は１７５％、電流透過率は２．２×
１０−２と、第１実施例よりもそれぞれ向上した。
【００７３】（第３の実施例）次に、ベースＢの磁化固
定層ＭＰとその上の障壁層ＴＢとの間に非磁性層ＮＭ１
としてアルミニウム（Ａｌ）を挿入したスピンバルブト
ランジスタを製作した。
定層ＭＰとその上の障壁層ＴＢとの間に非磁性層ＮＭ１
としてアルミニウム（Ａｌ）を挿入したスピンバルブト
ランジスタを製作した。
【００７４】すなわち、コレクタＣを構成する半導体Ｓ
として、（００１）面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板の
上に、ノンドープ（non-dope）ＧａＡｓ層をエピタキシ
ャル成長させた半導体層を用いた。
として、（００１）面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板の
上に、ノンドープ（non-dope）ＧａＡｓ層をエピタキシ
ャル成長させた半導体層を用いた。
【００７５】また、ベースＢを構成する磁化自由層Ｍ
Ｆ、非磁性層ＮＭ、磁化固定層ＭＰ、非磁性層ＮＭ１と
しては、それぞれ鉄（Ｆｅ）、金（Ａｕ）、鉄（Ｆ
ｅ）、アルミニウム（Ａｌ）をこの順番に積層した。
Ｆ、非磁性層ＮＭ、磁化固定層ＭＰ、非磁性層ＮＭ１と
しては、それぞれ鉄（Ｆｅ）、金（Ａｕ）、鉄（Ｆ
ｅ）、アルミニウム（Ａｌ）をこの順番に積層した。
【００７６】また、障壁層ＴＢとしては、酸化アルミニ
ウム（Ａｌ２Ｏ３）を用いた。
ウム（Ａｌ２Ｏ３）を用いた。
【００７７】そして、エミッタＥを構成する強磁性層Ｆ
Ｍとしては、鉄コバルト（Ｆｅ０． ９Ｃｏ０．１）を用
いた。
Ｍとしては、鉄コバルト（Ｆｅ０． ９Ｃｏ０．１）を用
いた。
【００７８】本実施例においては、ベースＢの磁化固定
層ＭＰと障壁層ＴＢとの間にアルミニウム（Ａｌ）層を
挿入した以外は、前述した第１実施例と同様な方法でト
ランジスタを形成した。
層ＭＰと障壁層ＴＢとの間にアルミニウム（Ａｌ）層を
挿入した以外は、前述した第１実施例と同様な方法でト
ランジスタを形成した。
【００７９】このトランジスタに２．５Ｖの電圧を印加
した状態でのＭＲ比は１５０％、電流透過率は１．０５
×１０−２と、第１実施例よりもやや低下した。
した状態でのＭＲ比は１５０％、電流透過率は１．０５
×１０−２と、第１実施例よりもやや低下した。
【００８０】（比較例）また、比較例として、エミッタ
Ｅをアルミニウム（Ａｌ）層により形成したスピンバル
ブトランジスタを製作した。
Ｅをアルミニウム（Ａｌ）層により形成したスピンバル
ブトランジスタを製作した。
【００８１】すなわち、コレクタＣを構成する半導体Ｓ
として、（００１）面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板の
上に、ノンドープ（non-dope）ＧａＡｓ層をエピタキシ
ャル成長させた半導体層を用いた。
として、（００１）面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板の
上に、ノンドープ（non-dope）ＧａＡｓ層をエピタキシ
ャル成長させた半導体層を用いた。
【００８２】また、ベースＢを構成する磁化自由層Ｍ
Ｆ、非磁性層ＮＭ、磁化固定層ＭＰ、非磁性層ＮＭ１と
しては、それぞれ鉄（Ｆｅ）、金（Ａｕ）、鉄（Ｆ
ｅ）、アルミニウム（Ａｌ）をこの順番に積層した。
Ｆ、非磁性層ＮＭ、磁化固定層ＭＰ、非磁性層ＮＭ１と
しては、それぞれ鉄（Ｆｅ）、金（Ａｕ）、鉄（Ｆ
ｅ）、アルミニウム（Ａｌ）をこの順番に積層した。
【００８３】また、障壁層ＴＢとしては、酸化アルミニ
ウム（Ａｌ２Ｏ３）を用いた。
ウム（Ａｌ２Ｏ３）を用いた。
【００８４】そして、エミッタＥを構成する材料として
は、アルミニウム（Ａｌ）を用いた。
は、アルミニウム（Ａｌ）を用いた。
【００８５】本比較例においては、ベースＢの磁化固定
層ＭＰと障壁層ＴＢとの間にアルミニウム（Ａｌ）層を
挿入し、エミッタＥをアルミニウム（Ａｌ）に変更した
以外は、前述した第１実施例と同様な方法でトランジス
タを形成した。
層ＭＰと障壁層ＴＢとの間にアルミニウム（Ａｌ）層を
挿入し、エミッタＥをアルミニウム（Ａｌ）に変更した
以外は、前述した第１実施例と同様な方法でトランジス
タを形成した。
【００８６】このトランジスタに２．５Ｖの電圧を印加
した状態でのＭＲ比は１３０％と低下し、また、電流透
過率は、０．７×１０−２と、第１乃至第３実施例より
も大幅に低下した。
した状態でのＭＲ比は１３０％と低下し、また、電流透
過率は、０．７×１０−２と、第１乃至第３実施例より
も大幅に低下した。
【００８７】以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施
の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの
具体例に限定されるものではない。例えば、スピンバル
ブトランジスタを構成する各要素の具体的な寸法関係や
材料、その他、基板、電極、導電型、ドーパント、絶縁
構造などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲
から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同
様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含
される。
の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの
具体例に限定されるものではない。例えば、スピンバル
ブトランジスタを構成する各要素の具体的な寸法関係や
材料、その他、基板、電極、導電型、ドーパント、絶縁
構造などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲
から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同
様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含
される。
【００８８】従って、公知のＧＭＲ素子に採用されてい
るスビンバルブ膜の構造は、そのままあるいは適宜修正
を加えた上で本発明のスピンバルブトランジスタに採用
することが可能であり、これらも本発明の範囲に包含さ
れる。
るスビンバルブ膜の構造は、そのままあるいは適宜修正
を加えた上で本発明のスピンバルブトランジスタに採用
することが可能であり、これらも本発明の範囲に包含さ
れる。
【００８９】また、本発明のスピンバルブトランジスタ
における磁化自由層、非磁性層、磁化固定層、エミッタ
を構成する強磁性層などの構成要素は、それぞれ単層と
して形成してもよく、あるいは２以上の層を積層した構
造としてもよい。
における磁化自由層、非磁性層、磁化固定層、エミッタ
を構成する強磁性層などの構成要素は、それぞれ単層と
して形成してもよく、あるいは２以上の層を積層した構
造としてもよい。
【００９０】その他、本発明の実施の形態として上述し
たスピンバルブトランジスタを基にして、当業者が適宜
設計変更して実施しうるすべてのスピンバルブトランジ
スタも同様に本発明の範囲に属する。
たスピンバルブトランジスタを基にして、当業者が適宜
設計変更して実施しうるすべてのスピンバルブトランジ
スタも同様に本発明の範囲に属する。
【００９１】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
エミッタ層に強磁性体を用い、その磁化をベースの磁化
固定層の磁化と同方向に固定することにより、スピンバ
ルブトランジスタの電流透過率とＭＲ比を向上させるこ
とができる。
エミッタ層に強磁性体を用い、その磁化をベースの磁化
固定層の磁化と同方向に固定することにより、スピンバ
ルブトランジスタの電流透過率とＭＲ比を向上させるこ
とができる。
【００９２】また、本発明によれば、特に、ベースの磁
化固定層が障壁層に接して形成されている場合により大
きな効果が可能となる。
化固定層が障壁層に接して形成されている場合により大
きな効果が可能となる。
【００９３】すなわち、本発明によれば、ＭＲ比が大き
く高速読み出し動作が実用可能な素子を提供することが
でき産業上のメリットは多大である。
く高速読み出し動作が実用可能な素子を提供することが
でき産業上のメリットは多大である。
【図１】本発明のスピンバルブトランジスタの基本構成
を表す概念図である。
を表す概念図である。
【図２】図１（ａ）に表したスピンバルブトランジスタ
のエネルギーダイアグラム図である。
のエネルギーダイアグラム図である。
【図３】本発明のスピンバルブトランジスタの変型例を
表す模式図である。
表す模式図である。
【図４】図３の変型例に対応したエネルギーダイアグラ
ム図である。
ム図である。
【図５】（ａ）は、強磁性体におけるエネルギー状態密
度をアップスピンおよびダウンスピン電子について表し
たグラフ図であり、（ｂ）は、非磁性体における状態密
度を表したグラフ図である。
度をアップスピンおよびダウンスピン電子について表し
たグラフ図であり、（ｂ）は、非磁性体における状態密
度を表したグラフ図である。
【図６】種々の強磁性体におけるアップスピン電子とダ
ウンスピン電子の状態密度の割合を表すグラフ図であ
る。
ウンスピン電子の状態密度の割合を表すグラフ図であ
る。
ＦＭ 強磁性層
ＨＥ ホットエレクトロン
Ｍ 磁化
ＭＦ 磁化自由層
ＭＰ 磁化固定層
ＮＭ、ＮＭ１、ＮＭ２ 非磁性層
Ｓ 半導体層
ＴＢ 障壁層
Claims (4)
- 【請求項１】磁化方向が第１の方向に実質的に固着され
た磁性体膜を有する磁化固定層と、磁化方向が外部磁界
に対応して変化する磁性体膜を有する磁化自由層と、前
記磁化固定層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁
性層と、を有するベース部と、 磁化方向が前記第１の方向とほぼ同一の方向に実質的に
固着された磁性体膜を有するエミッタ部と、 前記ベース部と前記エミッタ部との間に設けられた絶縁
性の障壁層と、 前記ベース部の前記エミッタ部とは反対側に設けられ、
半導体からなるコレクタ部と、 を備えたことを特徴とするスピンバルブトランジスタ。 - 【請求項２】前記磁化固定層または前記磁化自由層が前
記障壁層に接して設けられたことを特徴とする請求項１
記載のスピンバルブトランジスタ。 - 【請求項３】前記ベース部は、前記コレクタ部に接して
設けられた非磁性層をさらに有することを特徴とする請
求項１または２に記載のスピンバルブトランジスタ。 - 【請求項４】前記磁性体膜は、鉄（Ｆｅ）、コバルト
（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）の少なくともいずれかを
含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記
載のスピンバルブトランジスタ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002090682A JP2003289163A (ja) | 2002-03-28 | 2002-03-28 | スピンバルブトランジスタ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002090682A JP2003289163A (ja) | 2002-03-28 | 2002-03-28 | スピンバルブトランジスタ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003289163A true JP2003289163A (ja) | 2003-10-10 |
Family
ID=29235958
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002090682A Pending JP2003289163A (ja) | 2002-03-28 | 2002-03-28 | スピンバルブトランジスタ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003289163A (ja) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006086490A (ja) * | 2004-09-16 | 2006-03-30 | Ind Technol Res Inst | スピントランジスタとその形成方法 |
| JP2006086491A (ja) * | 2004-09-16 | 2006-03-30 | Ind Technol Res Inst | 磁気抵抗トランジスタとその制御方法 |
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| US7636223B2 (en) | 2005-01-10 | 2009-12-22 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. | Three terminal magnetic sensor having an in-stack longitudinal biasing layer structure and a self-pinned layer structure |
| US7639459B2 (en) | 2005-01-10 | 2009-12-29 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. | Three terminal magnetic sensor having an in-stack longitudinal biasing layer structure |
| US7710691B2 (en) | 2005-01-10 | 2010-05-04 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. | Three terminal magnetic sensor having an in-stack longitudinal biasing layer structure in the collector region and a pinned layer structure in the emitter region |
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| US10648069B2 (en) | 2018-10-16 | 2020-05-12 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Monolayer-by-monolayer growth of MgO layers using Mg sublimation and oxidation |
-
2002
- 2002-03-28 JP JP2002090682A patent/JP2003289163A/ja active Pending
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| US11001919B2 (en) | 2018-10-16 | 2021-05-11 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Monolayer-by-monolayer growth of MgO layers using Mg sublimation and oxidation |
| US11597993B2 (en) | 2018-10-16 | 2023-03-07 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Monolayer-by-monolayer growth of MgO layers using mg sublimation and oxidation |
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