JP2004186274A - スピン注入素子及びスピン注入素子を用いた磁気装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】低電流、かつ、低磁界で大きな信号電圧が得られると共に、微細化できるスピン注入素子及びスピン注入素子を用いた磁気装置を提供する。
【解決手段】非磁性導電体４を共通の電極とし、他方の電極を強磁性体（６，８）とする第１と第２のトンネル接合（２，３）を、非磁性導電体４のスピン拡散長よりも短い間隔を置いて配置し、第１のトンネル接合２は強磁性金属６から非磁性導電体４にスピンを注入し、第２のトンネル接合３は第１のトンネル接合２のスピン注入に伴う電圧を強磁性金属８と非磁性導電体４の間で検出し、非磁性導電体４が金属よりもキャリア密度の低い非磁性導電体である。低電流、かつ、低磁界で大きな信号電圧が得られる。磁気装置として使用すれば、高感度磁界センサ、高感度磁気ヘッド、信号電圧の大きいＭＲＡＭなどを提供できる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、スピン注入素子及びスピン注入素子を用いた磁気装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属や半導体に外部磁界を印加したときに、その抵抗が変化する磁気抵抗効果は、磁気ヘッドや磁気センサなどに使用されている。より大きな磁気抵抗を得るために、トンネル接合を用いた磁気抵抗効果素子があり、強磁性スピントンネル接合（ＭＴＪ）素子及びスピン注入素子が注目されている。
近年、これらのトンネル接合を用いた磁気抵抗効果素子が、新しい磁界センサや不揮発性磁気メモリ（ＭＲＡＭ）のメモリ素子として注目されている。
【０００３】
従来のＭＴＪ素子では、強磁性層／絶縁体層／強磁性層の順に積層した積層構造からなる強磁性スピントンネル接合を有している。
外部磁界によって２つの強磁性層の磁化を互いに平行あるいは反平行に制御することにより、膜面垂直方向のトンネル電流の大きさが互いに異なる、いわゆるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果が室温で得られる（非特許文献１参照）。
このトンネル接合におけるＴＭＲは、用いる強磁性体と絶縁体との界面におけるスピン分極率Ｐに依存し、二つの強磁性体のスピン分極率をそれぞれ、Ｐ１ ，Ｐ２ とすると、一般に下記（１）式で与えられることが知られている（非特許文献２参照）。
ＴＭＲ ＝２Ｐ１ Ｐ２ ／（１−Ｐ１ Ｐ２ ） （１）
ここで、強磁性層のスピン分極率Ｐは、０＜Ｐ≦１の値をとる。
現在、ＭＴＪ素子において、室温で得られているＴＭＲの最大値は、スピン分極率が約０．５のＣｏＦｅ合金を用いたときの約５０％である。
【０００４】
ＭＴＪ素子は、ハードデイスク用読み出しヘッドやＭＲＡＭへの応用が期待されている。ＭＲＡＭではＭＴＪ素子をマトリックス状に配置し、別に設けた配線に電流を流して磁界を印加することで，各ＭＴＪ素子を構成する二つの磁性層を互いに平行及び反平行に制御することにより、１，０を記録させる。読み出しはＴＭＲ効果を利用して行う。
【０００５】
一方、強磁性体から非磁性金属に電流を流すと、非磁性金属の長さがスピン拡散長より十分短い場合には、非磁性金属中にスピンが溜まること、すなわち、スピン蓄積が知られている。このように、強磁性体から非磁性金属に電流を流すことをスピン注入という。これは、強磁性体が一般にフェルミ準位において異なるスピン密度（アップスピン電子とダウンスピン電子の数が違う）をもつため、強磁性体から非磁性金属に電流を流すとスピン偏極電子が注入され、アップスピン電子とダウンスピン電子のケミカルポテンシャルが異なることに起因していることが報告されている（非特許文献３参照）。
【０００６】
このスピン注入が生じる強磁性金属／非磁性金属からなる系において、この非磁性金属に接して第２の強磁性体を配置すると、非磁性金属にスピンが溜まっている場合、非磁性金属と第２の強磁性金属の間に電圧が誘起される。この電圧は、第１の強磁性体と第２の強磁性体の磁化を互いに平行あるいは反平行に制御することで、電圧の極性が正と負に反転することが報告されている。そして、この原理を利用したスピントランジスタが提案されている（非特許文献参照４）。
【０００７】
上記のスピン注入を用いたトンネル磁気抵抗素子として、スピン注入素子が提案されている（非特許文献５参照）。
図５及び図６は従来のスピン注入素子の構成と動作原理を説明する図である。図５はその断面図であり、図６はその平面図である。図５に示すように、従来のスピン注入素子５０は、スピン注入をさせる第１のトンネル接合５１と、スピン電流による電圧を検出する第２のトンネル接合５２とがスピン拡散長Ｌｓよりも短い間隔Ｌ４で、共通の電極となる非磁性金属５３上に配設されている。
第１のトンネル接合５１は、非磁性金属５３上に絶縁体５４と第１の強磁性体５５とが順次積層された構造からなり、第２のトンネル接合５２は、非磁性金属５３上に絶縁体５４と第２の強磁性体５６とが順次積層された構造からなっている。
直流電源５８は、第１のトンネル接合５１の非磁性金属５３側を正とし、強磁性体５５側を負とするように印加され、このとき第１のトンネル接合に流れる電流がＩである。一方、電圧検出側の第２のトンネル接合の強磁性体５６と、非磁性金属５３には、電圧計５９が接続されている。
【０００８】
図６は図５の平面図であり、基板５７上にスピン注入素子５０が配設されている。そして、外部磁界６０が基板５７の面内に平行に印加されている。この外部磁界６０が印加されたときに、第１のトンネル接合５１の強磁性体５５と、第２のトンネル接合５２の強磁性体８に生じる磁化が、それぞれ、磁化６１、磁化６２である。
図示するように、第１のトンネル接合５１と第２のトンネル接合５２と非磁性金属５３のパターンの長辺は、それぞれＬ１，Ｌ２，Ｌ３であり、短辺は、それぞれＷ１，Ｗ２，Ｗ３である。
【０００９】
次に、上記の従来のスピン注入素子の動作について説明する。
従来のスピン注入素子５０の第１のトンネル接合５１に直流電源５８を印加して、トンネル電子によりスピンを注入する。このスピン注入されたスピン電流（図５のＩＳ ）は、スピン拡散長よりも短い距離Ｌ４にある第２のトンネル接合５２と電圧計５９の接続された閉回路に流れる。それに伴う誘起電圧が、第２のトンネル接合５２における強磁性金属５６と非磁性金属体５３に接続した電圧計５９により検出される。
ここで、二つのトンネル接合（５１，５２）に用いられる強磁性体（５５，５６）の磁化（６２，６３）が、互いに平行及び反平行になるように外部磁界６０を制御することで、誘起電圧の符号を変えることができるために、電圧検出が容易となる。このため、第２の従来のスピン注入素子は、雑音に強いトンネル接合を用いた磁気抵抗効果素子として期待されている。
【００１０】
【非特許文献１】
Ｔ． Ｍｉｙａｚａｋｉ ｅｔ． ａｌ， ”Ｓｐｉｎ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｉｎ ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ／ｉｎｓｕｌａｔｏｒ／ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ”， １９９５， Ｊ． Ｍａｇｎ． Ｍａｇｎ． Ｍａｔｅｒ．， Ｓｐｒｉｎｇｅｒ， Ｖｏｌ． １５１， ｐ．４０３
【非特許文献２】
Ｍ． Ｊｕｌｌｉｅｒｅ， ”Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｌｍｓ”， １９７５， Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， Ｖｏｌ． ５４Ａ， ｐ．２２５
【非特許文献３】
Ｍ． Ｊｏｈｎｓｏｎ ｅｔ． ａｌ， ”Ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ Ｃｈａｒｇｅ−Ｓｐｉｎ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ： Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎａｎｄ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｐｉｎ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ｉｎ Ｍｅｔａｌ”， １９８５， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ．， Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｓｏｃｅｉｅｔｙ， Ｖｏｌ． ５５， ｐ．１７９０
【非特許文献４】
Ｍ． Ｊｏｈｎｓｏｎ ｅｔ． ａｌ， ”Ｓｐｉｎ Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ”，１９９３， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ．， Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｓｏｃｅｉｅｔｙ， Ｖｏｌ． ７０， ｐ．２１４２
【非特許文献５】
Ｆ． Ｅ． Ｊｅｄｅｍａ ｅｔ ａｌ．， ”Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｉｎ ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎ ｉｎ ａ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ ｓｐｉｎ ｖａｌｖｅ”， ２００２， Ｎａｔｕｒｅ， Ｖｏｌ． ４１６， ｐ．７１３
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来のスピン注入素子において、検出される出力抵抗ＲＳ は、下記（２）式で測定される。
ＲＳ ＝（ＶＡＰ−ＶＰ ）／ＩＳ ＝ＶＳ ／ＩＳ （２）
ここで、ＶＡＰ及びＶＰ はそれぞれ、二つのトンネル接合の強磁性層（５５，５６）の磁化が反平行及び平行のときの誘起電圧である。そしてＶＳ ＝ＶＡＰ−ＶＰ であり、ＩＳ は第２のトンネル接合５２を流れる電流である。
従来のスピン注入素子においては、共通電極である非磁性金属５３の抵抗が小さいため、検出される出力抵抗ＲＳ が１０ｍΩ以下と小さく、実用上十分大きな信号電圧が得られないという課題がある。
【００１２】
また、従来のスピン注入素子の積層構造においては、スピン注入する側の第１のトンネル接合５１の強磁性体５５の磁化６１を反転させ、他方の検出する側の第２のトンネル接合５２の強磁性体５６の磁化６２は固定させる必要があるために、第１のトンネル接合５１と第２トンネル接合５２の大きさを、互いに変える必要があった。このために、第２のトンネル接合５２の強磁性体５６のアスペクト比（長さ／ 幅）を第１のトンネル接合５１のそれよりも大きくすることが必要であった。
【００１３】
また、従来のスピン注入素子５０では、第１のトンネル接合５１と第２のトンネル接合５２の間隔であるＬ４は、スピン拡散長λＮ よりも小さくなければならない。ここで、λＮ は、一般に１μｍ以下である。従って、トンネル接合を形成する強磁性体（５５，５６）の大きさも１μｍ以下で、さらに、サブμｍ以下でなければならない。このように、強磁性体の寸法が小さくなると外部磁界を印加したときに強磁性体の反磁界が増大するため、磁化反転に必要な外部磁界の大きさである、磁化反転磁界が増大する。
これにより、従来のスピン注入素子は、強磁性体の寸法が小さくなると、磁化反転磁界が大きくなり、低磁界で動作しないという課題がある。
【００１４】
さらに、従来のスピン注入素子をＭＲＡＭのメモリ素子として利用する場合に、メモリの大容量化をするためには、１個のスピン注入素子の素子寸法はできるだけ小さくしたいという要求がある。
しかし、上述したように、従来のスピン注入素子５０の強磁性体（５５，５６）の寸法が小さくなると磁化反転磁界が増大する。従って、ＭＲＡＭ内に別に設ける磁界を発生させる配線に大きな電流を流して、外部磁界を印加する必要があり、消費電力の増大を招く。一方、外部磁界を発生させる配線における消費電力を抑えるために、従来のスピン注入素子５０におけるスピン注入をさせる第１のトンネル接合５１を低磁界で磁化反転させるためには、その強磁性体５１の面積をある程度大きくする必要がある。
従って、従来のスピン注入素子５０を、例えば、メモリのＭＲＡＭの記憶素子に使おうとすると、磁化反転磁界を低下させることと、素子面積を小さくすることは、トレードオフの関係にあった。このため、例えば、磁化反転磁界を低下させる場合には、トンネル接合の素子面積が大きくなり、大容量化に限界が生じるという課題がある。
【００１５】
本発明は、上記課題に鑑み、低電流、かつ、低磁界でスピン注入に伴う抵抗変化が大きく、大きな信号電圧が得られ、かつ、素子寸法を微細化しても低磁界で磁化反転ができるスピン注入素子及びスピン注入素子を用いた磁気装置を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、スピン注入素子の非磁性金属のスピン蓄積の理論研究を行い、非磁性金属を半導体，半金属，超伝導体のいずれかを選択して用いれば、スピン蓄積によって得られる出力抵抗値ＲＳ を、従来のスピン注入素子の非磁性導体が金属であった場合に比べて、著しく大きくなることを見出し本発明を完成するに至った。
【００１７】
上記目的を達するため、本発明のスピン注入素子は、非磁性導電体を共通の電極とし、他方の電極を強磁性体とする第１のトンネル接合と第２のトンネル接合とを備え、第１のトンネル接合と第２のトンネル接合が、非磁性導電体のスピン拡散長よりも短い間隔を置いて配置され、第１のトンネル接合は強磁性金属から非磁性導電体にスピンを注入するトンネル接合であり、第２のトンネル接合は第１のトンネル接合のスピン注入に伴う電圧を強磁性金属と非磁性導電体の間で検出するトンネル接合であり、非磁性導電体が金属よりもキャリア密度の低い非磁性導電体であることを特徴とする。ここで、非磁性導電体は半導体であることが好適である。また、非磁性導電体は半金属であることが好適である。
【００１８】
また、本発明のスピン注入素子は、超伝導体を共通の電極とし、他方の電極を強磁性体とする第１のトンネル接合と第２のトンネル接合とを備え、第１のトンネル接合と第２のトンネル接合が、超伝導体体のスピン拡散長よりも短い間隔を置いて配置され、第１のトンネル接合は強磁性金属から超伝導体にスピンを注入するトンネル接合であり、第２のトンネル接合は第１のトンネル接合のスピン注入に伴う電圧を強磁性金属と超伝導体の間で検出するトンネル接合であることを特徴とする。
【００１９】
ここで、第１のトンネル接合と第２のトンネル接合は、非磁性導電体または超伝導体と、強磁性体の間に絶縁体を挿入されたトンネル接合であればよい。
また、第１のトンネル接合と第２のトンネル接合の少なくとも１つが、非磁性導電体上または超伝導体上に、絶縁体と強磁性体と非磁性金属と強磁性体とが順に積層されたトンネル接合構造であって、非磁性金属の両側の強磁性体が、非磁性金属を介して反平行に磁気結合していればよい。
また、非磁性金属を介して反平行に磁気結合している反平行結合膜のアスペクト比が１であることが好ましい。
また、電圧を検出する第２のトンネル接合の強磁性層の上に、反強磁性体が配設され、反強磁性体は強磁性体のスピンを固定することが好ましい。また、スピン注入素子が、基板上に形成されていればよい。
【００２０】
上記構成によれば、本発明のスピン注入素子は、キャリヤ密度が非磁性金属に比べて小さい半導体，半金属，超伝導体のいずれかを選択して用いることで、スピン蓄積によって得られる出力抵抗値ＲＳ を、従来のスピン注入素子の非磁性導体が金属であった場合に比べて著しく大きくすることができる。
そして、低電流、かつ、低磁界で、スピン注入に伴う抵抗変化が大きいために大きな信号電圧が得られる。さらに、素子寸法を微細化しても低磁界で磁化反転ができるスピン注入素子を提供できる。
【００２１】
また、本発明の磁気装置は、上記構成のスピン注入素子を有することを特徴とする。この構成によれば、本発明のスピン注入素子は、低磁界、かつ、低電流で大きな出力抵抗ＲＳ を有し、さらに、素子寸法の微細化ができるので、高感度の磁界センサ、高感度磁気ヘッド、信号電圧の大きい大容量ＭＲＡＭなどの磁気装置を提供することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるスピン注入素子及びスピン注入素子を用いた磁気素子の実施の形態を図面により詳細に説明する。
図１は、本発明のスピン注入素子の構成と動作原理を示す断面図である。図１に示すように、本発明のスピン注入素子１は、スピン注入をさせる第１のトンネル接合２と、スピン電流による電圧を検出する第２のトンネル接合３が、スピン拡散長Ｌｓよりも短い間隔Ｌ４で、共通の電極となる非磁性導電体４または超伝導体４’上に配設されている。
第１のトンネル接合１は、非磁性導電体４または超伝導体４’上に、絶縁体５と、第１の強磁性体６と、が順次積層された構造からなっている。第２のトンネル接合３は、非磁性導電体４または超伝導体４’上に、絶縁体５と、第２の強磁性体７と、反強磁性体８と、が順次積層された構造からなっている。
直流電源９は、第１のトンネル接合２の非磁性導電体４または超伝導体４’側を正とし、強磁性体６側を負とするように印加され、このとき第１のトンネル接合に流れる電流がＩである。一方、検出側の第２のトンネル接合の反強磁性体８と非磁性導電体４または超伝導体４’には、電圧計１０が接続されている。
ここで、非磁性導電体４は、半導体，半金属のいずれか１つである。なお、非磁性導電体４と超伝導体４’は、置き換えができるので差し支えのない限り、非磁性導電体４として説明する。
【００２３】
図２は、図１に対応する平面図であり、例えば、絶縁物で被覆された基板１１上に、本発明のスピン注入素子１が配設されている。そして、外部磁界１２が基板１１の面内に平行に印加されている。図には、外部磁界１２が印加されたときの第１のトンネル接合の強磁性体６に生じる磁化１３と、第２のトンネル接合の強磁性体８に生じる磁化１４を示している。
図示するように、第１のトンネル接合２と第２のトンネル接合３と非磁性導電体４のパターンの長辺は、それぞれ、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３であり、短辺は、それぞれＷ１，Ｗ２，Ｗ３である。
【００２４】
ここで、本発明が、従来のスピン注入素子５０と異なるのは、２つのトンネル接合（２，３）の共通電極を非磁性金属ではなく非磁性導電体４または超伝導体４’とすることと、検出側の第２のトンネル接合３が、強磁性体７上にさらに、反強磁性体８が積層されていることである。
最初に、非磁性導電体４として、半導体または半金属を用いる理由について説明する。
本発明者らは、本発明のスピン注入素子の理論計算を行い、非磁性導電体４が半導体と半金属のような電気伝導体の場合、スピン蓄積によって得られる出力抵抗値ＲＳ は以下の（３）式で与えられることを見出した。
ＲＳ ＝Ｐｊ ２ ＲＮ ｅｘｐ（−Ｌ４／λＮ ） （３）
ここで、Ｐｊ はトンネル接合を形成している強磁性体（６，７）のスピン分極率（ここでは二つの強磁性体（６，７）は同じ材質としている）、ＲＮ は非磁性導電体４の抵抗、Ｌ４は第１のトンネル接合２と第２のトンネル接合３間の距離、λＮ は非磁性導電体４のスピン拡散長である。
【００２５】
この（３）式から、スピン蓄積によって得られる出力抵抗値ＲＳ は、強磁性体（６，７）のスピン分極率が決まれば、非磁性導電体４の抵抗ＲＮ が大きいほど、そして、Ｌ４はλＮ に比べて十分小さくすれば大きくすることができる。
非磁性導電体４として、半導体または半金属を用いれば、これらは、従来のスピン注入素子５０の非磁性金属５３に用いられていた通常の金属よりもキャリア密度が小さく抵抗が高いので、スピン蓄積によって得られる出力抵抗値ＲＳ を大きくすることができる。
【００２６】
さらに、共通電極として超伝導体４’を用いた場合においては、スピン蓄積によって得られる出力抵抗ＲＳ ’は、以下の（４）式及び（５）式で与えられることを見出した。
ＲＳ ’＝Ｐｊ ２ ＲＮ ｅｘｐ（−Ｌ／λＮ ’）／２ｆ０ （Δ） （４）
ｆ０ （Δ）＝１／［ｅｘｐ（Δ／ｋＢ Ｔ）＋１］ （５）
ここで、ＲＮ は超伝導体４’の抵抗、λＮ ’は超伝導体のスピン拡散長、ｆ０ （Δ）は、超伝導体４’のエネルギーギャップΔに関係する式であり、ｋＢ はボルツマン定数、Ｔは絶対温度（Ｋ）である。
【００２７】
ｆ０ （Δ）は、Δが０のときは超伝導体４’でなくなり、このときｆ０ （Δ）＝１／ ２となるので、（４）式は（３）式と同じになる。
通常の超伝導体４’では、ｆ０ （Δ）は１／ ２より小さいので、（４）式及び（５）式から、超伝導体４’を用いると通常の金属よりもキャリア密度が小さく抵抗が高いので、スピン蓄積によって得られる出力抵抗値ＲＳ を大きくすることができる。また、その値はΔが大きい程大きくすることができる。
以上のことから、本発明のスピン注入素子の非磁性導電体４が半導体、半金属、超伝導体のいずれの場合においても、従来のスピン注入素子５０の非磁性金属５３に用いられていた通常の金属よりスピンが溜まり易く、結果として出力抵抗ＲＳ を大きくすることができる。
【００２８】
次に、検出側の第２のトンネル接合３の強磁性体７上に、さらに、反強磁性体８が配設される理由について説明する。
第２のトンネル接合３においては、強磁性体７と反強磁性体８との交換相互作用によるスピンバルブ効果により、強磁性体７の磁化１４によるスピンが１方向に固定される。このため、従来のスピン注入素子５０のように、第２のトンネル接合５２の強磁性層５６のアスペクト比（長さ／ 幅）を第１のトンネル接合５１のそれよりも大きくする必要がなくなり、素子寸法を小さくできる。
【００２９】
次に、本発明のスピン注入素子の別の実施の形態について説明する。
図３は、本発明の別の実施の形態のスピン注入素子の構成と動作原理を示す断面図である。
本発明のスピン注入素子２０は、スピン注入をさせる第１のトンネル接合２１と、スピン電流による電圧を検出する第２のトンネル接合２２が、スピン拡散長Ｌｓよりも短い間隔Ｌ４で、共通の電極となる非磁性導電体４又は超伝導体４’上に配設されている。
本発明のスピン注入素子２０が、スピン注入素子１（図１参照）と異なっているのは、第１のトンネル接合２１と第２のトンネル接合２２が、非磁性導電体４または超伝導体４’上に絶縁体５と、第１の強磁性体２３と、非磁性金属２４と、第２の強磁性体２５と、が順次積層された構造からなっている点である。第１のトンネル接合２１と第２のトンネル接合２２においては、非磁性金属２４の両側の二つの強磁性層（２３，２５）は、図示するように反平行に磁気結合している。他の構成と対応する平面図は、図１及び図２と同じであるので、説明は省略する。
【００３０】
次に、本発明の実施の形態であるスピン注入素子２０の変形例について説明する。
図４は、本発明のスピン注入素子の変形例の構成と動作原理を示す断面図である。本発明のスピン注入素子３０においては、スピン注入をさせる第１のトンネル接合２１（図３参照）とスピン電流による電圧を検出する第２のトンネル接合３（図１参照）が、スピン拡散長Ｌｓよりも短い間隔Ｌ４で、共通の電極となる非磁性導電体４または超伝導体４’上に配設されている。他の構成と対応する平面図は、図１〜図３と同じであるので、説明は省略する。
【００３１】
次に、上記の構成のスピン注入素子（２０，３０）における二つのトンネル接合のうち少なくとも一つを、非磁性金属２４を介して反平行に磁気結合した二つの強磁性層（２３，２５）を用いた第１のトンネル接合２１とする理由について述べる。
スピン注入素子（２０，３０）の第１のトンネル接合２１において、非磁性金属２４を介して反平行に磁気結合した二つの強磁性体（２３，２５）を用いることで、外部磁界１２を印加したときに強磁性体（２３，２５）に生じる反磁界が低減し、外部磁界１２が低いときでも強磁性体（２３，２５）の磁化が容易に行うことができる。
これにより、第１のトンネル接合２１が低磁界で磁化反転される、すなわち、磁化反転磁界が小さくなるので、素子寸法の微細化が可能となる。特に、アスペクト比が１の反平行結合膜を用いると反磁界係数がゼロになるため、磁化反転磁界を著しく低減できる。従って、この場合には、さらに、スピン注入素子の素子寸法を小さくできる。
【００３２】
次に、本発明のスピン注入素子を用いた磁気装置に係る実施の形態を示す。
図１乃至図４に示すように、本発明のスピン注入素子は、低電流、かつ、低磁界においてスピン蓄積によって得られる出力抵抗値ＲＳ が非常に大きくなる。本発明のスピン注入素子は、低電流、かつ、低磁界において大きな出力抵抗値ＲＳ を示すので、大きな出力電圧が得られ、磁気抵抗センサとして用いれば、感度の高い磁気素子を得ることができる。
また、本発明のスピン注入素子は、低電流、かつ、低磁界において大きな出力抵抗値ＲＳ を示すので、大きな出力電圧が得られ、感度の高い読み出し用の磁気装置である磁気ヘッドを構成することができる。
また、本発明のスピン注入素子をマトリックス状に配置し、別に設けた配線に電流を流して外部磁界を印加することで、スピン注入素子を構成する第１のトンネル接合の強磁性体の磁化を、外部磁界により互いに平行と反平行に制御することにより、第２のトンネル接合に誘起される電圧の符号が正の状態と負の状態ととなり、保持、即ち記録ができる。
これを１、０として記録させることで、ＭＲＡＭなどの磁気装置を構成することができる。また、本発明のスピン注入素子においては、素子面積を小さくできるので、ＭＲＡＭなどの磁気装置の大容量化が達成できる。
【００３３】
次に、本発明のスピン注入素子の実施例について説明する。
（実施例１）
本発明の実施の形態によるスピン注入素子１（図１参照）を以下のようにして製作した。
基板１１として半絶縁性ＧａＡｓ基板を用い、この基板上に、膜厚１００ｎｍのＳｉを不純物として添加した非磁性導電体４となるＧａＡｓ薄膜を分子線エピタキシャル成長法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）法を用いて成長させた。
このＧａＡｓ薄膜上に、Ａｌを１． ２ｎｍ成膜した。このＡｌ膜をプラズマ酸化法を用いて酸化させＡｌ酸化物として、絶縁体５とした。次に、Ａｌ酸化物上に強磁性体（７，８）となるＣｏを３ｎｍ、反強磁性体８としてＩｒＭｎを１０ｎｍ堆積した。
上記多層膜を、電子線リソグラフィーとＡｒイオンミリングを用いて微細加工し、図１に模式的に示したような、ＳｉドープＧａＡｓ膜を一方の非磁性導電体４とする二つのトンネル接合（２，３）を配置した構造を作製した。
ここで、ＳｉドープＧａＡｓ膜の幅Ｗ３は０．２５μｍで、長さＬ３は２μｍである。第１のトンネル接合２と第２のトンネル接合３の大きさは、共に、０．５μｍ×１．５μｍとした。また、二つのトンネル接合間の距離Ｌ４は、１μｍ以下で種々変えた。
【００３４】
このようにして製作した、本発明のスピン注入素子１の第１のトンネル接合２において、ＣｏからＡｌ酸化膜を介してＳｉドープＧａＡｓ膜に電流Ｉを流し、第２のトンネル接合のＣｏとＳｉドープＧａＡｓ膜の間の電圧を測定した（図１参照）。
図２に示すように、外部磁界１２を印加して、第１のトンネル接合２のＣｏの磁化１３を反転させ、二つのＣｏ層の磁化が互いに平行及び反平行の状態で電圧測定を行い、（２）式の出力抵抗ＲＳ を求めた。Ｌ４＝０．２μｍの場合、ＲＳ ＝１．５Ωであった。この出力抵抗ＲＳ の値は、通常の金属を用いた従来のスピン注入素子５０の場合よりも、約２桁大きな値である。なお、Ｃｏ膜の磁化反転磁界の値は、約１００Ｏｅ（エルステッド）であった。
【００３５】
（実施例２）
本発明の実施の形態によるスピン注入素子１（図１参照）を以下のようにして製作した。
基板１１として熱酸化膜を被覆したＳｉ（シリコン）基板を用い、このＳｉ基板上に、膜厚１００ｎｍの超伝導体４’となるＮｂ（ニオブ）の金属薄膜を超高真空スパッタ装置を用いて堆積し、このＮｂ薄膜上に、Ａｌを１． ５ｎｍ成膜した。
このＡｌ膜をプラズマ酸化法を用いて酸化し、絶縁体５となるＡｌ酸化物とした。次に、Ａｌ酸化物上に強磁性体（７，８）となるＣｏ９０Ｆｅ１０合金膜を５ｎｍ、反強磁性体８としてＩｒＭｎを１０ｎｍ堆積した。
上記多層膜を、電子線リソグラフィーとＡｒイオンミリングを用いて微細加工し、図１に模式的に示したような、Ｎｂ薄膜を一方の非磁性導電体４とする二つのトンネル接合（２，３）を配置した構造を作製した。
ここで、Ｎｂ薄膜の幅Ｗ３は０．２５μｍで、長さＬ３は２μｍである。第１のトンネル接合２と第２のトンネル接合３の大きさは、共に、０．５μｍ×１．５μｍとした。また、二つのトンネル接合間の距離Ｌ４は、１μｍ以下で種々変えた。
【００３６】
このようにして製作した本発明のスピン注入素子１の第１のトンネル接合２において、１．５Ｋの温度で、Ｃｏ９０Ｆｅ１０合金膜６からＡｌ酸化膜を介してＮｂ薄膜に電流Ｉを流し、第２のトンネル接合３のＣｏ９０Ｆｅ１０合金膜８とＮｂ薄膜の間の電圧を測定した（図１参照）。
図２に示すように、外部磁界１２を印加して、第１のトンネル接合２のＣｏ９０Ｆｅ１０合金膜の磁化１３を反転させ、二つのＣｏ９０Ｆｅ１０合金膜の磁化が互いに平行及び反平行の状態で電圧測定を行い、（２）式の出力抵抗ＲＳ を求めた。
Ｌ４＝０．２μｍの場合、ＲＳ ≒２０Ωであった。この出力抵抗ＲＳ は、通常の金属を用いた従来のスピン注入素子５０の場合よりも、約３桁大きな値であった。なお、Ｃｏ膜の磁化反転に必要な外部磁界の値は、約１００Ｏｅ（エルステッド）であった。
【００３７】
（実施例３）
本発明の実施の形態によるスピン注入素子２０を以下のようにして製作した。実施例２における第１のトンネル接合２のＣｏ９０Ｆｅ１０合金を、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（５ｎｍ）／Ｒｕ（０．４５ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）の３層からなる積層膜にした以外は、実施例２と同様にして、第１のトンネル接合２１と第２のトンネル接合２２の強磁性体（２３，２５）が非磁性金属２４を介して反平行に磁性結合したスピン注入素子２０を作製した（図３参照）。
製作の際には、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（５ｎｍ）／Ｒｕ（０．４５ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）の積層構造において、Ｒｕを介して結合する２つの強磁性体であるＣｏ９０Ｆｅ１０の磁化が互いに反平行結合していることを確認した。
【００３８】
このようにして製作した本発明のスピン注入素子２０の第１のトンネル接合２１において、１．５Ｋの温度で、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（５ｎｍ）／Ｒｕ（０．４５ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）積層膜からＡｌ酸化膜を介してＮｂ膜に電流Ｉを流した。そして、第２のトンネル接合２２のＣｏ９０Ｆｅ１０（５ｎｍ）／Ｒｕ（０．４５ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）積層膜とＮｂ膜の間の電圧を測定した（図３参照）。
外部磁界を印加して、第１のトンネル接合２１のＣｏ９０Ｆｅ１０（５ｎｍ）／Ｒｕ（０．４５ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）膜の磁化を反転させ、非磁性金属２４であるＲｕに接した二つのＣｏ９０Ｆｅ１０合金膜の磁化が互いに平行及び反平行の状態で電圧測定を行い、（２）式の出力抵抗ＲＳ を求めた。
Ｌ４＝０．２μｍの場合、ＲＳ ≒２０Ωであった。この出力抵抗ＲＳ は、通常の金属を用いた従来のスピン注入素子５０の場合よりも、約３桁大きな値であった。
【００３９】
ここで、第１のトンネル接合２１のＣｏ９０Ｆｅ１０（５ｎｍ）／Ｒｕ（０．４５ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）の積層膜の磁化１３が、反平行を保ったまま反転するときの磁化反転磁界の大きさは、約３０Ｏｅであった。
この磁化反転磁界の大きさは、上記の実施例２における第１のトンネル接合２において強磁性体６としてＣｏ９０Ｆｅ１０（厚さ５ｎｍ）を用いたときの磁化反転磁界である１００Ｏｅに比べると、１／３以下であった。
【００４０】
本発明は、上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。例えば、上記実施例では、非磁性導電体として半導体を用いたが、Ｂｉ，ＦｅＳｉなど半金属に適用し得ることは勿論である。また、本発明のスピン注入素子を用いた磁気装置は、磁気抵抗センサ、ＭＲＡＭ、磁気ヘッドについて説明したが、他の磁気装置などに適用し得ることは言うまでもない。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明のスピン注入素子によれば、低電流、かつ、低外部磁界で、非常に大きな出力抵抗ＲＳ が得られる。
また、本発明のスピン注入素子は、低磁界で非常に大きな出力抵抗ＲＳ が得られるので、従来のスピン注入素子よりもはるかに微細化が可能である。
【００４２】
さらに、このスピン注入素子は、磁気装置に使用することで新規な磁気装置を提供することができる。このスピン注入素子を磁気装置に使用すれば、高感度磁気ヘッドや信号電圧の大きいＭＲＡＭを実現できるほか、各種高感度の磁界センサなどが提供できることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスピン注入素子の構成と動作原理を示す断面図である。
【図２】図１の平面図である。
【図３】本発明の別の実施の形態のスピン注入素子の構成と動作原理を示す断面図である。
【図４】本発明のスピン注入素子の変形例の構成と動作原理を示す断面図である。
【図５】従来のスピン注入素子の構成と動作原理を示す断面図である。
【図６】図５の平面図である。
【符号の説明】
１，２０，３０ スピン注入素子
２，２１ スピン注入をさせる第１のトンネル接合
３，２２ スピン電流を検出する第２のトンネル接合
４ 非磁性導電体
４’ 超伝導体
５ 絶縁体
６，２３ 第１の強磁性体
７，２５ 第２の強磁性体
８ 反強磁性体
９ 直流電源
１０ 電圧計
１１ 基板
１２ 外部磁界
１３ 第１のトンネル接合に生じる磁化
１４ 第２のトンネル接合に生じる磁化
２４ 非磁性金属

Claims (10)

  1. 非磁性導電体を共通の電極とし、他方の電極を強磁性体とする第１のトンネル接合と第２のトンネル接合とを備え、
    該第１のトンネル接合と該第２のトンネル接合が、上記非磁性導電体のスピン拡散長よりも短い間隔を置いて配置され、
    上記第１のトンネル接合は上記強磁性金属から上記非磁性導電体にスピンを注入するトンネル接合であり、
    上記第２のトンネル接合は第１のトンネル接合のスピン注入に伴う電圧を上記強磁性金属と上記非磁性導電体の間で検出するトンネル接合であり、
    上記非磁性導電体が金属よりもキャリア密度の低い非磁性導電体であることを特徴とする、スピン注入素子。
  2. 前記非磁性導電体は半導体であることを特徴とする、請求項１に記載のスピン注入素子。
  3. 前記非磁性導電体は半金属であることを特徴とする、請求項１に記載のスピン注入素子。
  4. 超伝導体を共通の電極とし、他方の電極を強磁性体とする第１のトンネル接合と第２のトンネル接合とを、備え、
    該第１のトンネル接合と該第２のトンネル接合が、上記超伝導体のスピン拡散長よりも短い間隔を置いて配置され、
    上記第１のトンネル接合は上記強磁性金属から上記超伝導体にスピンを注入するトンネル接合であり、
    上記第２のトンネル接合は第１のトンネル接合のスピン注入に伴う電圧を上記強磁性金属と上記超伝導体の間で検出するトンネル接合であることを特徴とする、スピン注入素子。
  5. 前記第１のトンネル接合と前記第２のトンネル接合が、前記非磁性導電体または前記超伝導体と、前記強磁性体の間に絶縁体を挿入されたトンネル接合であることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載のスピン注入素子。
  6. 前記第１のトンネル接合と前記第２のトンネル接合の少なくとも１つが、前記非磁性導電体上または前記超伝導体上に、絶縁体と強磁性体と非磁性金属と強磁性体とが順に積層されたトンネル接合構造であって、上記非磁性金属の両側の強磁性体が、上記非磁性金属を介して反平行に磁気結合していることを特徴とする、請求項１〜５の何れかに記載のスピン注入素子。
  7. 前記非磁性金属を介して反平行に磁気結合している反平行結合膜のアスペクト比が１であることを特徴とする、請求項６に記載のスピン注入素子。
  8. 前記電圧を検出する第２のトンネル接合の前記強磁性層の上に、反強磁性体が配設され、該反強磁性体は前記強磁性体のスピンを固定することを特徴とする、請求項１〜５の何れかに記載のスピン注入素子。
  9. 前記スピン注入素子が、基板上に形成されていることを特徴とする、請求項１〜８の何れかに記載のスピン注入素子。
  10. 請求項１〜９の何れかに記載のスピン注入素子を有することを特徴とする、スピン注入素子を用いた磁気装置。
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