JP2005190878A - Spin polarization emitter - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spin polarization emitter capable of efficiently emitting a current with a high spin polarization factor and exhibiting good withstand voltage. <P>SOLUTION: This spin polarization emitter comprises a first electrode 1 comprising a metal film, a tunnel insulating film 3 laminated on the first electrode 1, a ferromagnetic laminated film 5 laminated with the first electrode 1 to sandwich the tunnel insulating film 3 and wherein a plurality of fixed magnetization ferromagnetic metal layers and non-magnetic metal layers are laminated and a second electrode 7 comprising a nonmagnetic metal. The surface of the second electrode 7 serves as an electron emission surface. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、スピン偏極電子を放出するスピン偏極エミッタに関する。 The present invention relates to a spin-polarized emitter which emits spin-polarized electrons.

近年、伝導電子の電荷に加え、スピンの性質を利用したデバイスが開発されている(スピン・エレクトロニクス)。 Recently, in addition to the charge of the conduction electrons, the device utilizing the properties of the spin has been developed (spin electronics). スピン・エレクトロニクスでは、磁性半導体や磁性金属等の材料が用いられるため、その微小領域の磁気的性質を評価する必要性がある。 The spin electronics, since the material such as a magnetic semiconductor or magnetic metal is used, there is a need to evaluate the magnetic properties of the microscopic regions. その有力な評価方法の一つに、スピン偏極電流を用いる方法があるが、その実現には、微小かつ高効率のスピン偏極エミッタの開発が不可欠である。 One of the promising evaluation method, there is a method using a spin-polarized current, the realization, it is essential to develop a spin polarization emitter of small and highly efficient.

従来、スピン偏極電流の放出は強磁性探針を用いる方法やGaAs等のIII−V化合物の探針に円偏光を照射する方法等が知られている。 Conventionally, the release of the spin polarized current is known a method in which irradiation with circularly polarized light at the probe III-V compound such methods and GaAs using a ferromagnetic probe. しかし、強磁性深針を用いる方法では偏極率の高い電流を得るのが困難であり、III−V化合物の深針を用いる方法は放出時に光照射が必要なため、その結果生じる種々の問題点が指摘されている。 However, the method using ferromagnetic deep needle is difficult to obtain a high current of polarization ratio, since a method of using a deep needle III-V compound required irradiation upon release, various problems resulting point has been pointed out.

また、従来のエミッタは探針の先端に強い電界を集中させ電子放出を行うが、強電界の印加により先端が劣化するため放出効率が低下してしまう。 Further, the conventional emitter performs the concentrated allowed electron emission a strong electric field at the tip of the probe, the emission efficiency because the tip by the application of a strong electric field is deteriorated lowered. 近年、比較的低電界で電子を放出する金属―絶縁体―金属(MIM)型の電子放出素子が開発されているが(特許文献1参照)、ホットエレクトロンを生成するトンネル接合の電気的耐圧が低いという欠点や、電子放出の効率が低いという欠点を持っている。 Recently, metal emits electrons at relatively low electric field - insulator - metal but (MIM) type electron emission devices have been developed (see Patent Document 1), the electrical breakdown voltage of the tunnel junction to generate hot electrons and the disadvantage of low, have the disadvantage of low efficiency of the electron emission.
米国特許出願公開第2003/71555号明細書 U.S. Patent Application Publication No. 2003/71555 Pat

本発明は、スピン偏極率の高い電子を高効率で放出することができ、電気的耐圧の良好なスピン偏極エミッタを提供することを目的とする。 The present invention is capable of emitting a high spin polarization electrons with high efficiency, and to provide a good spin polarization emitter of electrical breakdown.

上記課題を解決するために、本発明の第1によれば、金属膜と、金属膜に積層形成されたトンネル絶縁膜と、トンネル絶縁膜に積層形成され、一方向の固定磁化が付与された複数の強磁性金属層と複数の強磁性金属層間に形成された非磁性金属層を具備する強磁性積層膜と、強磁性積層膜に積層形成された非磁性金属膜とを備えることを特徴とするスピン偏極エミッタを提供する。 In order to solve the above problems, according to a first aspect of the present invention, a metal film, a tunnel insulating film laminated on the metal film, it is laminated on the tunnel insulating film, in one direction of the fixed magnetization is applied and characterized in that it comprises a plurality of ferromagnetic metal layers and ferromagnetic multilayer film having a plurality nonmagnetic metal layer formed on the ferromagnetic metal layers of a nonmagnetic metal film laminated on the ferromagnetic film stack to provide a spin-polarized emitters.

また、本発明の第2によれば、金属膜と、金属膜に積層形成され、絶縁膜と、絶縁層中に分散形成された一方向の固定磁化が付与された複数の強磁性粒子とを備えたトンネル絶縁膜と、トンネル絶縁膜に積層され、トンネル絶縁膜を介して金属膜と対向する非磁性金属膜とを備えることを特徴とするスピン偏極エミッタを提供する。 Further, according to the second invention, a metal film, is laminated on the metal film, an insulating film, and a plurality of ferromagnetic particles fixed magnetization unidirectional dispersed form in the insulating layer has been applied a tunnel insulating film having been stacked on the tunnel insulating film, to provide a spin-polarized emitter, characterized in that it comprises a non-magnetic metal film metal layer and face each other with a tunnel insulating film.

このようなスピン偏極エミッタは、スピン偏極走査プローブ顕微鏡及びスピン偏極電子回折装置等に用いて、高精度の分析を可能にすることができる。 Such spin-polarized emitters, using a spin-polarized scanning probe microscopy and spin-polarized electron diffraction apparatus and the like, it is possible to enable the analysis of high accuracy.

本発明によれば、強磁性からなるスピンフィルター部を備えることにより、高スピン偏極率かつ高い電子放出効率を持つスピン偏極エミッタを得ることができる。 According to the present invention, by providing a spin filter unit made of a ferromagnetic, it is possible to obtain spin-polarized emitter having a high spin polarization ratio and high electron emission efficiency.

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, will be described with reference to the drawings the embodiments of the present invention. 尚、実施の形態や実施例を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。 Incidentally, it is assumed that the same reference numerals are assigned to the common configuration through forms and examples, description thereof is omitted. また、参照する各図は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、図面表示の便宜上、形状や寸法、比等は実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。 Also, the drawings referred to in the description of the invention is a schematic diagram for encouraging understanding, drawings display convenience, the shape and dimensions, ratios, etc. There are different from those from the actual device, it is the following discussion appropriately in consideration of the known techniques, it is possible to change the design.

(第1の実施の形態) (First Embodiment)
まず、本発明のスピン偏極エミッタに関する第1の実施の形態について説明する。 First, a description will be given of a first embodiment relates to a spin-polarized emitter of the present invention.

図1は、第1の実施の形態に係るスピン偏極エミッタの断面模式図である。 Figure 1 is a schematic sectional view of the spin-polarized emitter according to the first embodiment.

スピン偏極エミッタは、第1の電極1、第1の電極1上に形成されたトンネル絶縁膜3、トンネル絶縁膜3上に形成された強磁性積層膜5、及びトンネル絶縁膜3及び強磁性積層膜5を介して第1の電極1と対向する第2の電極7とを備える。 Spin polarization emitter, the first electrode 1, the first electrode 1 the tunnel insulating film 3 formed on the ferromagnetic multilayer film 5 is formed on the tunnel insulating film 3, and the tunnel insulating film 3 and the ferromagnetic and a second electrode 7 facing the first electrode 1 and through the laminated film 5.

第1の電極1、強磁性積層膜5は金属であり、第1の電極1、絶縁体のトンネル絶縁膜3、強磁性積層膜5は、MIM構造を形成する。 The first electrode 1, the ferromagnetic laminated film 5 is a metal, the first electrode 1, the insulator of the tunnel insulating film 3, ferromagnetic multilayer film 5 forms a MIM structure. このMIM構造はホットエレクトロン生成部をなし、第1の電極1と強磁性積層膜5の間に電圧を印加することにより、一方の金属から他方の金属へホットエレクトロン11を注入することができる。 The MIM structure without hot electron generation unit, by applying a voltage between the first electrode 1 and the ferromagnetic multilayer film 5, it is possible to inject hot electrons 11 from one metal to another metal.

第1の電極1は非磁性金属膜であっても強磁性金属膜であってもよい。 The first electrode 1 may be a ferromagnetic metal film be a non-magnetic metal film. 第1の電極1にFe,Co、Ni、やこれらのいずれかを含む合金、化合物等による強磁性金属膜を用い、この強磁性金属膜に強磁性積層膜5が持つ磁化と同じ向きの固定磁化を与えると、注入するホットエレクトロンのスピンの向きを揃えることができ、非磁性金属膜を用いたエミッタに比べてエミッション効率を最大で2倍程度高めることができる。 Fe in the first electrode 1, Co, Ni, and alloys containing either of a ferromagnetic metal film by compounds, fixed in the same direction as the magnetization with ferromagnetic multilayer film 5 on the ferromagnetic metal film Given the magnetization, it is possible to align the spin direction of the hot electrons injected emission efficiency can be increased about twice the maximum in comparison with the emitter using a non-magnetic metal film.

強磁性積層膜5は、複数の強磁性金属層と非磁性金属層とが交互に積層された膜であり、複数の強磁性金属層の磁化方向を揃えることで、ホットエレクトロン11をそのスピンの向きにより選択的に透過させる(フィルタリングする)ことができる。 Ferromagnetic multilayer film 5 is a film in which a plurality of ferromagnetic metal layers and nonmagnetic metal layers are stacked alternately, by aligning the magnetization direction of the plurality of ferromagnetic metal layers, the spin hot electrons 11 selectively transmitting by the direction (filtering) may be. つまり、強磁性金属層の磁化方向に平行な向きのスピンを持つホットエレクトロンのみがこの膜5を透過して、第2の電極7に伝達することができる。 That is, it is possible to only hot electrons having a spin parallel orientation magnetization direction of the ferromagnetic metal layer is transmitted through the membrane 5, is transmitted to the second electrode 7. このような強磁性積層膜5をスピンフィルター膜という。 Such a ferromagnetic stacked film 5 is referred to as spin filter membrane.

強磁性積層膜5の強磁性金属層には、Fe,Co、Ni、これらの金属を少なくとも1つを含む合金や化合物等の強磁性金属材料を用いることができる。 The ferromagnetic metal layer of the ferromagnetic multilayer film 5 may be Fe, Co, Ni, a ferromagnetic metal material such as an alloy or compound containing at least one of these metals. また、その積層方向の厚さは、約1nm以上約10nm以下とすることができる。 The thickness of the lamination direction can be about 10nm or less than about 1 nm.

強磁性積層膜中の非磁性金属層には、Au、Cu、Ag、Al、及びこれらの金属の少なくとも一つを含む合金や化合物等の非磁性金属材料を用いることができる。 The non-magnetic metal layer in the ferromagnetic layered film, it is possible to use Au, Cu, Ag, Al, and the non-magnetic metal material such as an alloy or compound containing at least one of these metals. また、その積層方向の厚さは、約1nm以上約30nm以下とすることができる。 The thickness of the lamination direction can be about 30nm or less than about 1 nm.

強磁性積層膜5中の非磁性金属層を介して隣接する強磁性金属層は、互いに強磁性的に結合しており、互いの磁化は略平行に揃っている。 Ferromagnetic metal layer adjacent to the nonmagnetic metal layer in the ferromagnetic multilayer film 5 is ferromagnetically coupled to each other, the magnetization of each other are aligned substantially in parallel. 強磁性積層膜5中の磁性金属層と非磁性金属層との積層回数は、1回以上5回以下にする。 Number of stacked magnetic metal layer and the nonmagnetic metal layer in the ferromagnetic multilayer film 5 is less than 5 times or more times.

第1の電極1には、Au、Ag、Cu、Al、Pt,Ti、Cr、V、Ta,W、Nb、Mo等の磁性を示さない金属膜を用いることができ、その厚さは約10nm以上約200nm以下とする。 The first electrode 1, Au, Ag, Cu, Al, Pt, Ti, Cr, V, Ta, W, Nb, it is possible to use a metal film that does not exhibit magnetic properties of Mo or the like and has a thickness of about and 10nm greater than or equal to about 200nm or less. また、上述のように、第1の電極1に磁性材料を用いてエミッション効率を上げることもできる。 Further, as described above, it is also possible to increase the emission efficiency of a magnetic material to the first electrode 1.

第2の電極7にはAu、Pt、Pd、カーボン等の非磁性金属膜を用いることができ、その厚さは約1nm以上約20nm以下とすることができる。 The second electrode 7 may be used Au, Pt, Pd, a non-magnetic metal film such as carbon, its thickness may be about 20nm or less than about 1 nm.

トンネル絶縁膜3には、AlO、HfO、AlN、HfN、AlHfO、AlHfN、MgO等を用いることができる。 The tunnel insulating film 3, can be used AlO, HfO, AlN, HfN, AlHfO, AlHfN, the MgO and the like. また、その厚さは約1nm以上約2nm以下とすることができる。 Also, its thickness can be about 2nm or less than about 1 nm.

尚、スピン偏極エミッタの形状は、例えば、幅(図1の紙面左右方向)が約1nm以上約10nm以下、奥行き(図1の紙面垂直方向)が約1μm以上約10μmの四角柱とすることができる。 The shape of the spin-polarized emitter, for example, a width of about 1nm or more to about 10 nm (left-right direction in FIG. 1) or less, the depth (direction perpendicular to the plane of FIG. 1) be a square pole about 1μm than about 10μm can.

次に、このスピン偏極エミッタの動作について説明する。 Next, the operation of the spin-polarized emitter.

第1及び第2の電極1,7間に電圧源9により電圧を印加すると、第1の電極1から第2の磁性積層膜5へホットエレクトロン11を注入することができる。 When a voltage is applied by the voltage source 9 between the first and second electrodes 1,7, it can be injected hot electrons 11 from the first electrode 1 to the second magnetic multilayer film 5. 注入されたホットエレクトロンは磁性積層膜5において、そのスピンの向きにより選択的に透過/非透過される。 Injected hot electrons in the magnetic multilayer film 5, is selectively transmitted / not transmitted by the direction of the spin. 磁性積層膜5を透過した一部のホットエレクトロン11、つまり所定のスピンを持つホットエレクトロンは第2の電極7の放出面よりスピン偏極電子13として真空中に放出される。 Magnetic multilayer of 5 part which has passed through the hot electrons 11, that hot electrons having a predetermined spin is emitted into the vacuum as a spin-polarized electrons 13 from the emitting surface of the second electrode 7.

次に、このスピン偏極エミッタの電子放出効率、スピン偏極率について説明する。 Next, the electron emission efficiency of the spin-polarized emitter, the spin polarization is described.

このようなスピン偏極エミッタの電子放出効率はエミッション電流I Eと素子に流れるダイオード電流I 0の比として、近似的に(1)式で与えられる。 Electron emission efficiency of the spin-polarized emitters as the ratio of the diode current I 0 flowing through the emission current I E and the element is given approximately by the equation (1).

ここでT MSは第2の電極と真空の界面における電流透過率、T MMは磁性積層膜5中の磁性金属層と非磁性金属層の界面における電流透過率、Dは磁性積層膜5の厚さ、λは同じく減衰長である。 Here T MS is a current transmittance at the interface of the second electrode and the current transmittance at the interface of the vacuum, T MM is a magnetic metal layer in the magnetic multilayer film 5 and the non-magnetic metal layer, D is a magnetic multilayer the thickness of the film 5, lambda is the same attenuation length.

本実施の形態のスピン偏極エミッタでは、スピン偏極率の高い電流を放出することができる。 The spin-polarized emitter of this embodiment, it is possible to emit a high current of spin polarization. これは、磁性積層膜5におけるホットエレクトロン電流の減衰長λがスピンの向きに大きく依存するためである。 This decay length of the hot electron current λ is to depend largely on the spin direction in the magnetic multilayer film 5.

ここで、後述する実施例で述べる方法により測定した磁性積層膜5中のスピン依存減衰長を表1に示す。 Here, Table 1 shows the spin-dependent attenuation length of the magnetic in the laminate film 5 was measured by the method described in Examples described later.

表1からわかるように、磁性積層膜5中の減衰長は電子のスピンの向きに大きく依存し、上向きスピン電子の減衰長λ↑は50オングストローム程度であるが、下向きスピン電子の減衰長λ↓は僅か10オングストローム程度である。 Table As can be seen from the 1, decay length of the magnetic multilayer film 5 is largely dependent on the orientation of the electron spin attenuation length of up spin electrons lambda ↑ is about 50 angstroms, decay length of down spin electrons lambda ↓ is only about 10 angstroms.

放出されるホットエレクトロンのスピン偏極率は、アップスピンのホットエレクトロンによる電流I↑とダウンスピンのホットエレクトロンによる電流I↓を用いて(4)式のようにあらわされる。 Spin polarization of hot electrons emitted is represented by using the current I ↓ by hot electron current I ↑ and down spin by the up spin hot electrons (4) as equation.

ここで、電流I↑と電流I↓は、磁性積層膜5中の強磁性層の厚さdとスピンに依存したホットエレクトロンの減衰長λとにより(2)式や(3)式で表される。 Here, the current I ↑ and the current I ↓ is represented by the hot attenuation length of electrons λ dependent on the thickness d and the spin of the ferromagnetic layers in the magnetic multilayer film 5 (2) and (3) that.

例えば、約1.5eVのエネルギーを持つホットエレクトロンを厚さdが20オングストローム程度のCo 84 Fe 16層を透過させる。 For example, the thickness d of the hot electrons having energy of approximately 1.5eV is transmitted through the Co 84 Fe 16 layer of about 20 Angstroms. 表1から、Co 84 Fe 16層のアップスピン電子の減衰長λ↑は50オングストローム、ダウンスピン電子の減衰長λ↓は8オングストロームであることから、スピン偏極率は(4)式から、約90%という高い偏極率の電流が得られることが分かる。 From Table 1, decay length of the up-spin electrons of Co 84 Fe 16 layer lambda ↑ 50 angstroms, since ↓ decay length of the down-spin electrons lambda is 8 angstroms, the spin polarization is (4), about it can be seen that current high polarization curvature of 90% can be obtained.

一方、強磁性積層膜5中の強磁性金属層と非磁性金属層の界面の電流透過率は一般的に数10%と高いことが知られている。 On the other hand, the current transmission rate of the interface of the ferromagnetic multilayer film ferromagnetic metal layers and the nonmagnetic metal layer in the 5 that generally the higher the number of 10% is known. また、非磁性金属層中の減衰長も一般的に長くAuやCu等の貴金属中では200オングストローム程度である。 Also, decay length of the non-magnetic metal layer also is in precious metals generally longer Au and Cu is about 200 angstroms.

従って、磁性積層膜5を用いることにより、ホットエレクトロン電流に対して電流透過率が数10%、スピン偏極率が約90%程度のスピンフィルターを実現することができる。 Thus, by using the magnetic multilayer film 5, a current transmittance several tens of percent relative to hot electron current, it is possible to spin polarization realize the spin filter of about 90%.

尚、強磁性積層膜5中の磁性金属層の数を増やせば放出電子のスピン偏極率をさらに高めることができる。 Incidentally, it is possible to further increase the spin polarization of the emitted electrons by increasing the number of magnetic metal layer in the ferromagnetic multilayer film 5. 但し、電子放出効率は低下する。 However, the electron emission efficiency is reduced.

次に、本実施の形態の変形例について、説明する。 Next, a modified example of the present embodiment will be described.

変形例1のスピン偏極エミッタでは第2の電極7の電子放出面に仕事関数の小さいLi,Na等のアルカリ金属やMg,Ba等のアルカリ土類金属あるいはこれらの金属を含む合金若しくは化合物を設ける。 In the spin-polarized emitter of the first modification low work function electron emission surface of the second electrode 7 Li, alkali metal and Mg such as Na, an alloy or a compound containing an alkaline earth metal, or these metals such as Ba provided. Li,Na等のアルカリ金属やMg,Ba等のアルカリ土類金属あるいはこれらの金属を含む合金、化合物については、光電子放出や熱電子放出の効率向上に有効であり、電流透過率T MSを改良することができる。 Li, alkali metal and Mg such as Na, alloy containing alkaline earth metals or of these metals such as Ba, the compounds are effective to improve the efficiency of light emission and thermionic emission, the current transmittance T MS it is possible to improve.

探針を用いた強電界電子放出では材料強度の点から難点があり、これらの金属を用いることは難しい。 In a strong electric field electron emission using the probe has difficulty in terms of material strength, it is difficult to use these metals. しかし、本実施の形態によるスピン偏極エミッタは強電界を用いずに放出できるホットエレクトロン型なので、これらの材料を放出効率改善のために用いることができる。 However, the spin-polarized emitter according to this embodiment since hot electron type capable of releasing without using a strong electric field, it is possible to use these materials for release efficiency.

この放出効率の改善について、図2のエネルギーダイアグラムを用いて説明する。 Improvement of the emission efficiency will be described with reference to the energy diagram of FIG.

図2中のE Fはフェルミエネルギー準位を示す。 E F in Figure 2 shows the Fermi energy level. アルカリ金属等の仕事関数の小さい金属を表面に用いると、実線で示したようにバリアーが低くなり、ホットエレクトロン11の真空への透過率を高めることができる。 With a metal having a low work function such as alkali metals on the surface, the barrier is lowered as indicated by the solid line, it is possible to increase the transmittance to vacuum hot electron 11. このような仕事関数の小さい金属は、Li,Na等のアルカリ金属や、Mg,Ba等のアルカリ土類金属、あるいはこれら金属を含む化合物である。 Small metal of such work function, Li, alkali metal or such as Na, a compound containing Mg, alkaline earth metals such as Ba, or these metals.

これに対し、仕事関数の大きい金属やその化合物では、図2中に点線で示したように真空との界面に高いバリアーが存在するため、ホットエレクトロンの透過率は低くなり放出効率は低下する。 In contrast, the large metal or a compound thereof having a work function, due to the presence of surfactants in high barrier between the vacuum as indicated by a dotted line in FIG. 2, emission efficiency becomes transmittance of hot electrons is low is reduced. つまり、この変形例1によれば、第2の電極7から真空への電流透過率T MSを改良することができる。 That is, according to this first modification, it is possible to improve the current transmittance T MS to the vacuum from the second electrode 7.

次に、第1の実施の形態の変形例2に関するスピン偏極エミッタについて説明する。 Next, a description will be given spin-polarized emitter about the second modification of the first embodiment.

この変形例2では、多重トンネル接合あるいは微粒子多重トンネル接合を用いることにより、トンネル接合の電気的耐圧を改善することができる。 In this modified example 2, by using a multiple tunnel junction or particulate multiple tunnel junction, it is possible to improve the electrical breakdown voltage of the tunnel junction.

ホットエレクトロン型エミッタの弱点はトンネル接合の電気的耐圧が低いことであり、トンネル接合が外部の電気的雑音や静電気等により破壊することが予想される。 Weakness of hot electron type emitter is that the electrical breakdown voltage of the tunnel junction is low, it is expected that the tunnel junction is destroyed by external electrical noise or static electricity or the like. しかし、電気的耐圧を高めるためにトンネル絶縁膜を厚くするとトンネル接合抵抗が高くなり放出電流が減少してしまう。 However, when the thickness of the tunnel insulating film in order to increase the electrical breakdown tunnel junction resistance becomes high emission current is reduced.

そこで、図1のトンネル絶縁膜3に替えて、図3(a)の断面模式図に示した多重トンネル接合膜3Aあるいは図3(b)の断面模式図に示した微粒子多重トンネル接合膜3Bを用いる。 Therefore, instead of the tunnel insulating film 3 of FIG. 1, the particulate multiple tunnel junction layer 3B shown in schematic cross-sectional view of multiple tunnel junction layer 3A or FIG. 3 (b) shown in schematic cross-sectional view of FIGS. 3 (a) used. このような多重トンネル接合膜3Aや微粒子多重トンネル接合膜3Bによれば、外部からの印加電圧を各接合に分散させることができ、トンネル接合の耐圧を著しく高めることができる。 According to the multiple tunnel junction layer 3A and particulate multiple tunnel junction layer 3B, it is possible to disperse the voltage applied from the outside to the bonding, can significantly increase the breakdown voltage of the tunnel junction.

多重トンネル接合膜3Aは、金属層31とこれを挟むように積層された複数の絶縁層33を備える。 Multiple tunnel junction layer 3A is provided with a plurality of insulating layers 33 are laminated so as to sandwich the metal layer 31. 図3(a)に示すように、複数の金属層31と複数の絶縁層33を交互に積層してもよい。 As shown in FIG. 3 (a), it may be formed by laminating a plurality of metal layers 31 and a plurality of insulating layers 33 alternately. この金属層31には、Al、Cu等を用いることができ、その厚さは、例えば、約1nm以上約5nm以下とすることができる。 The metal layer 31, Al, can be Cu or the like and has a thickness of, for example, can be about 5nm or less than about 1 nm. 絶縁層33には、AlO、AlN、AlCuOを用いることができ、その厚さは、例えば、約1nm以上約2nm以下とすることができる。 The insulating layer 33, AlO, AlN, can be used AlCuO, a thickness of, for example, can be about 2nm or less than about 1 nm.

微粒子多重トンネル接合膜3Bは、金属層35と微粒子多重トンネル層37の積層膜である。 Particulate multiple tunnel junction layer 3B is a laminated film of a metal layer 35 and the particle multiple tunnel layer 37. 金属層35は、例えば、Al、Cu、Ag、Pt等よりなり、厚さを約10n以上約200nmとする。 Metal layer 35, for example, Al, Cu, Ag, made of Pt or the like, from about 10n or about 200nm thick. 微粒子多重トンネル層37は、AlO、BN、AlN、ダイヤモンドライクカーボン等の非磁性絶縁膜中に、直径約1nm以上約10nm以下程度の導電性の微粒子が分散された層である。 Particulate multiple tunnel layer 37, AlO, BN, AlN, in a non-magnetic insulating film such as diamond-like carbon, a layer in which fine particles are dispersed conductive extent about 1nm or more to about 10nm or less in diameter. 微粒子多重トンネル層37の厚さは、例えば、約20n The thickness of the fine particle multiple tunnel layer 37, for example, about 20n
m以上約100nm以下とすることができる。 It can be about 100nm or less than m.

微粒子多重トンネル接合膜3Bの微粒子多重トンネル層37は、絶縁体中に金属微粒子が分散されたものであるため、2つの金属微粒子間のトンネル接合が破壊して短絡が生じても、これにより微粒子多重トンネル層37全体が破壊されて金属層35と第2の電極7間が短絡することはない。 Particulate multiple tunnel layer 37 of particulate multiple tunnel junction layer 3B, since one in which metal fine particles are dispersed in an insulator, even if short-circuit tunnel junction break between two fine metal particles, thereby causing fine particles is not the entire multiple tunnel layer 37 is broken to short-circuit between the metal layer 35 and the second electrode 7. 従って、外部からの電気的雑音や静電気等に対する耐性を大幅に高めることができる。 Therefore, it is possible to increase resistance to electrical noise and static electricity or the like from the outside significantly.

次に、第1の実施の形態の変形例3について図4の断面模式図を用いて説明する。 Next, a modified example 3 of the first embodiment will be described with reference to schematic cross-sectional view of FIG.

変形例3では、図3(b)に示す微粒子多重トンネル接合膜3Bの金属微粒子に強磁性微粒子を用い、膜全体の強磁性微粒子に固定磁化を付与する。 In Modification 3, a ferromagnetic fine particles in the metal microparticles in the microparticle multiple tunnel junction layer 3B shown in FIG. 3 (b), to impart the fixed magnetization in the ferromagnetic fine particles of the entire film. このような固定磁化を付与した多重トンネル接合膜を用いることで、スピンのフィルタリンングとホットエレクトロンの生成を同時に行うことができる。 Such fixed magnetization by using a multiple tunnel junction film imparted with, it is possible to generate spin filtering ring and hot electrons at the same time.

この微粒子多重トンネル接合膜3Bでは、強磁性微粒子の材料にFe、Co、NI、及びこれらのうちいずれかの金属を含む合金や化合物等を用い、各粒子の平均の径を約5nm以上約20nm以下とする。 In the particulates multiple tunnel junction layer 3B, Fe in the material of the ferromagnetic fine particles, Co, NI, and an alloy or a compound that include any of the metals of these, diameter about 5nm or about 20nm average of each particle below that. また、微粒子多重トンネル接合膜の厚さは約50nmとすることができる。 The thickness of the particulate multiple tunnel junction layer may be about 50nm.

図4の断面模式図に示したように、非磁性金属の第1及び第2の電極と微粒子多重トンネル膜39の3層のみによりスピン偏極エミッタを構成することができる。 As it is shown in schematic cross-sectional view of FIG. 4, only by three layers of the first and second electrode and the fine particles multiple tunnel film 39 of a non-magnetic metal capable of forming the spin-polarized emitter. この3層構成のスピン偏極エミッタによるスピン偏極率は約20%以上約30%以下と低いものの、第1及び第2の電極1,7に強磁性材料を用いる必要がないため、電流透過率を高めることができ、電流放出効率をさらに改善することが可能になる。 Although the spin-polarized emitter of the three-layer spin polarization is about 20% or more than about 30% and lower, it is not necessary to use a ferromagnetic material to the first and second electrodes 1,7, current transmission it is possible to increase the rate, it is possible to further improve the current emission efficiency.

(実施例1) 磁性体中を進むホットエレクトロンの減衰長の測定 実施例1について図5の断面模式図を参照しつつ説明する。 (Example 1) with reference to the schematic cross-sectional view of FIG. 5 will be described measuring a first embodiment of the decay length of the hot electrons traveling magnetic body.

Si層上に厚さ約1nmのCoSi 2を介してCoFe層、Cu層、CoFe層からなるベース層、Al 23トンネル絶縁膜を形成した。 CoFe layer through the CoSi 2 having a thickness of about 1nm to Si layer, Cu layer, a base layer of CoFe layer to form a Al 2 O 3 tunnel insulating film. ベース層の各層の作製は、マルチチャンバーのMBE装置(2×10 -10 torr)を用いた。 Preparation of each layer of the base layer, using the MBE apparatus of a multi-chamber (2 × 10 -10 torr).

はじめに第1のチャンバー内でn + Si(111)基板を約500℃、約2時間、続いて約700℃、約0.5時間加熱し、表面の吸着ガスを除去した。 Introduction n + Si (111) in the first chamber board about 500 ° C., about 2 hours, followed by about 700 ° C., and heated for about 0.5 hours to remove adsorbed gases on the surface. 引き続き、弱いSiフラックス中でSi基板を約840℃に加熱し、表面酸化膜を除去した。 Subsequently, heating the Si substrate to about 840 ° C. in a weak Si flux in, to remove the surface oxide film. この段階でRHEEDによりSi表面の7x7構造を確認した。 It confirmed the 7x7 structure of Si surface by RHEED at this stage.

次に、この表面上にバッファー層としてノンドープSiを700℃で1μmの厚さに形成した。 It was then formed to a thickness of 1μm at 700 ° C. The non-doped Si as a buffer layer on the surface. その後、化学量論組成のCoとSiを同時蒸着し、約600℃において10分間程度アニールすることにより厚さ約1nmのCoSi 2膜を形成した。 Then, co-evaporation of Co and Si stoichiometric composition, to form a CoSi 2 layer with a thickness of about 1nm by about 10 minutes annealing at about 600 ° C..

ベース積層膜(CoFe層、Cu層、CoFe層)はMBE装置の第2のチャンバー内でイオンビーム・スパッタ法により形成した。 Based laminate film (CoFe layer, Cu layer, CoFe layer) was formed by ion beam sputtering in the second chamber of the MBE apparatus. Cu層の厚さを約2nmに固定し、二つのCoFeの膜厚を約1nm以上約10nm以下の間でそれぞれ変化させた。 Fixing the thickness of the Cu layer of about 2 nm, it was changed respectively the thickness of the two CoFe between: about 1nm or more to about 10 nm. また磁気的な一軸異方性を付与するためCoFeは約1000Oeの磁場を印加しつつ形成した。 The CoFe order to impart magnetic uniaxial anisotropy was formed while applying a magnetic field of about 1000 Oe.

続いて、第3のチャンバー内でAl 23トンネル絶縁膜を形成した。 Subsequently, to form the Al 2 O 3 tunnel insulating film in the third chamber. 2分圧10 -5 torrの下で、Alソースを用いてAl 23を約1.5nmの厚さに形成した。 Under O 2 partial pressure 10 -5 torr, it was formed to a thickness of about 1.5nm to Al 2 O 3 using an Al source.

その後、厚さ約200nmのCaF 2層間絶縁膜を形成して、ベース/エミッタ間トンネル接合の面積を約50×50μmとした後、エミッタとしてAl(10nm)/Au(100nm)積層膜を形成した。 Then, to form CaF 2 interlayer insulation film with a thickness of about 200 nm, after the area of the base / emitter tunnel junction about 50 × 50 [mu] m, was formed Al (10nm) / Au (100nm ) laminated film as an emitter .

CoFeの膜厚を変えたそれぞれのトランジスターについて、面内に磁場を印加して、電圧計9、電流計53を用いて電流/電圧特性を測定し電流透過率(コレクター電流/エミッタ−電流の比)を求めた。 For each of the transistors with different film thickness of the CoFe, by applying a magnetic field in the plane, the voltmeter 9, the current transmittance measuring current / voltage characteristics by using the current meter 53 (collector current / emitter - ratio of the current ) was determined. この電流透過率のCoFe膜厚依存性からCoFe膜中のスピンに依存したホットエレクトロン電流の減衰長を求めた。 The decay length of the hot electron current depending on the spins in the CoFe film of CoFe film thickness dependency of the current transmission rate was determined. 結果は、表1に示すように、エミッタ電圧約1.5Vでは、アップスピン電子の減衰長λ↑=約50オングストローム、ダウンスピン原子の減衰長λ↓=約8オングストロームであり、約2.0Vではλ↑=43オングストローム、λ↓=8オングストロームであった。 Results are as shown in Table 1, the emitter voltage of about 1.5V, decay length of the up-spin electrons lambda ↑ = about 50 Å, decay length of the down-spin atoms lambda ↓ = about 8 angstroms, about 2.0V in λ ↑ = 43 Å, it was λ ↓ = 8 angstroms.

この結果から、強磁性積層膜を透過するホットエレクトロンの減衰長は、電子スピンの向きによって異なり、アップスピン電子の方が高い透過率を得られることがわかる。 From this result, decay length of the hot electrons passing through the ferromagnetic film stack differs by electron spin direction, it can be seen that the direction of up-spin electrons can be obtained a high transmittance.

(実施例2)スピンフィルター部にCu/CoFe/Au/Cs積層膜を用いたスピン偏極エミッタ 実施例1で用いた製造装置を用いて、Si基板上に図6に断面模式図を示したスピン偏極エミッタを作製した。 Using the manufacturing apparatus used in Example 2 spin-polarized emitter Example 1 using the Cu / CoFe / Au / Cs laminated film spin filter section, showing a cross section schematic view in FIG. 6 on the Si substrate to produce a spin-polarized emitter.

まず、下部電極として厚さ約200nmのAl膜を蒸着法により形成し、その表面を酸素雰囲気中で酸化することにより厚さ約2nm程度のAl 23を形成してトンネル絶縁膜とした。 First, an Al film having a thickness of about 200nm is formed by vapor deposition as the lower electrode, and a tunnel insulating film to form an Al 2 O 3 having a thickness of approximately about 2nm by oxidizing the surface in an oxygen atmosphere. 引き続き、トンネル絶縁膜上にイオンビーム・スパッタ法によりスピンフィルター部のCu層(約10nm厚)、CoFe層(約2nm厚)、Au層(約1nm厚)の積層膜を形成した。 Subsequently, Cu layer (about 10nm thick) of the spin filter portion by ion beam sputtering on the tunnel insulating film, CoFe layer (approximately 2nm thick) to form a laminated film of Au layer (about 1nm thick). CoFe層は実施例1と同様の方法で磁化を付与した。 CoFe layer imparted with magnetization in the same manner as in Example 1.

得られたSi基板上の膜を、光リソグラフィー法とイオンミリング装置を用いて50×50μm 2の接合サイズに加工し、スピン偏極エミッタを作製した。 The resulting Si film on a substrate by using a photolithography method and an ion milling apparatus and processed into bonded size of 50 × 50 [mu] m 2, to prepare a spin-polarized emitter. このエミッタに電流リードを取り付けた後、再び真空槽にセットして電子放出特性を測定した。 After attaching the current lead to the emitter to measure the electron emission characteristic was set in the vacuum chamber again. 電圧40Vを印加した時、ダイオード電流約10mAに対してエミッション電流は約0.1μAで、電子放出効率は10 -5程度だった。 When a voltage is applied 40V, the emission current to the diode current of about 10mA is about 0.1 .mu.A, the electron emission efficiency was about 10 -5.

真空槽内で、同じエミッタの上部電極Au上にCsを約0.5nm程度蒸着した後、再び電子放出特性を測定した。 In a vacuum chamber, after depositing approximately 0.5nm to Cs on the upper electrode Au of the same emitter was measured electron emission characteristics again. 約40Vの印加電圧において、ダイオード電流約10mAに対してエミッション電流は約0.7μAで、電子放出効率は約7×10ー5となり、Csを表面に蒸着することにより、電子放出効率の向上が見られた。 At an applied voltage of about 40V, in emission current of about 0.7μA with respect to the diode current of about 10 mA, the electron emission efficiency by depositing about 7 × 10 -5. Therefore, the Cs on the surface, to improve the electron emission efficiency It was seen.

スピン偏極率の測定はモット検出器を用いて行った。 Measurements of spin polarization was performed using a Mott detector. モット検出器はスピン偏極電子が重原子によって散乱されるとき、スピン・軌道相互作用によってその空間分布が非対称になることを利用している。 Mott detector when spin-polarized electrons are scattered by a heavy atom, their spatial distribution by spin-orbit interaction is utilized to become asymmetrical. 約40Vの印加電圧でのエミッション電流のスピン偏極率は、約60%だった。 Spin polarization of emission current at an applied voltage of about 40V, was about 60%. Csを表面に蒸着した素子とAuのみの素子とでは、スピン偏極率に大きな違いは見られなかった。 And the element of the Cs only elements and Au was deposited on the surface, a large difference was observed in the spin polarization. この素子は、約60Vを印加すると絶縁破壊が起こった。 This element, dielectric breakdown occurred and applying approximately 60V.
(実施例3) 微粒子多重トンネル層を用いたスピン偏極エミッタ 図7の断面模式図に示すような、絶縁層中に分散された微粒子層を多重トンネル伝導するスピン偏極エミッタを作製した。 (Example 3) as shown in cross-sectional schematic view of a spin-polarized emitter 7 with particulate multiple tunnel layer, and the fine particle layer are dispersed in an insulating layer to produce a spin-polarized emitters multiple tunnel conduction.

Si基板上に下部電極Cu層(約100nm厚)をイオンビーム・スパッタにより成膜した後、Al 23とCoFeを交互にスパッタし、Al 23絶縁層にCoFe微粒子が分散した微粒子層(約40nm厚)を作製した。 After the lower electrode Cu layer on a Si substrate (about 100nm thick) was deposited by ion beam sputtering, sputtered alternately Al 2 O 3 and CoFe, fine particle layer CoFe particles are dispersed in Al 2 O 3 insulating layer was produced (about 40nm thick).

その後、CoFe層(約1nm厚)とAu層(約10nm厚)をスパッタし、上部電極を成膜した。 Then, CoFe layer (about 1nm thick) and Au layer (about 10nm thick) was sputtered was deposited top electrode. 実施例1と同様な方法でCoFe層に一軸異方性を付与し、約50μm×50μmの接合サイズに加工し、電子放出特性を測定した。 The uniaxial anisotropy was given to the CoFe layer in the same manner as in Example 1, and processed into bonded size of about 50 [mu] m × 50 [mu] m, it was measured electron emission characteristics.

電圧50Vを印加したときのダイオード電流5mAに対して、エミッション電流は50nAで、電子放出効率は10ー5であった。 With respect to the diode current 5mA when a voltage is applied to 50 V, the emission current is 50 nA, the electron emission efficiency was 10 @ 5. 電圧100Vを印加したときのダイオード電流は20mAに対して、エミッション電流は2μAで、電子放出効率は10ー4であった。 With respect to the diode current is 20mA when applying a voltage 100 V, in emission current is 2 .mu.A, the electron emission efficiency was 10 -4. この素子は120Vの電圧を印加しても絶縁破壊を起こさなかった。 The device did not cause the dielectric breakdown even if applying a voltage of 120V. モット検出器によりスピン偏極率を測定したところ、100V印加時のエミッション電流のスピン偏極率は、約40%だった。 Was measured spin polarization by Mott detector, spin polarization of emission current at 100V applied was about 40%.

この実施例3は、実施例2のエミッタと比較してスピン偏極率は低下するものの、耐圧が高いためエミッション電流を大きくすることができた。 The third embodiment, although the spin polarization decreases as compared to the emitter of Example 2, it was possible to increase the emission current for the withstand voltage is high.

本発明の第1の実施の形態に関わるスピン偏極エミッタを説明するための断面模式図。 Schematic sectional view for explaining the spin-polarized emitter according to the first embodiment of the present invention. 第1の実施の形態の変形例1を説明するためのエネルギーダイアグラム Energy diagram for explaining a modification 1 of the first embodiment 第1の実施の形態の変形例2を説明するための断面模式図 Schematic sectional view for explaining a modification 2 of the first embodiment 第1の実施の形態の変形例3を説明するための断面模式図 Schematic sectional view for explaining a modification 3 of the first embodiment 実施例1を説明するための断面模式図 Schematic sectional view for explaining an embodiment 1 実施例2を説明するための断面模式図 Schematic sectional view for explaining an embodiment 2 実施例3を説明するための断面模式図 Schematic sectional view for explaining an embodiment 3

符号の説明 DESCRIPTION OF SYMBOLS

1・・・第1の電極3・・・トンネル絶縁膜5・・・強磁性積層膜7・・・第2の電極9・・・電圧源11・・・ホットエレクトロン13・・・スピン偏極電子3A・・・多重トンネル接合膜3B・・・微粒子多重トンネル接合膜31・・・金属膜33・・・絶縁膜35・・・金属膜37・・・微粒子多重トンネル膜39・・・強磁性微粒子多重トンネル接合膜53・・・電流計 1 ... first electrode 3 ... tunnel insulating film 5 ... ferromagnetic laminated film 7 ... second electrode 9 ... Voltage source 11 ... hot electron 13 ... spin-polarized electronic 3A ... multiple tunnel junction layer 3B ... particulate multiple tunnel junction layer 31 ... metal film 33 ... insulating film 35 ... metal film 37 ... microparticle multiple tunnel film 39 ... ferromagnetic particulate multiple tunnel junction layer 53 ... ammeter

Claims (6)

  1. 金属膜と、 And the metal film,
    前記金属膜に積層形成されたトンネル絶縁膜と、 A tunnel insulating film laminated on the metal film,
    前記トンネル絶縁膜に積層形成され、一方向の固定磁化が付与された複数の強磁性金属層と前記複数の強磁性金属層間に形成された非磁性金属層を具備する強磁性積層膜と、 The laminated formed on the tunnel insulating film, a ferromagnetic multilayer film having a non-magnetic metal layer in one direction of the fixed magnetization is formed on the plurality of ferromagnetic metal layers and a plurality of ferromagnetic metal layers granted,
    前記強磁性積層膜に積層形成された非磁性金属膜とを備えることを特徴とするスピン偏極エミッタ。 Spin polarized emitter, characterized in that it comprises a non-magnetic metal film laminated on the ferromagnetic film stack.
  2. 前記トンネル絶縁膜は、複数の絶縁層と前記複数の絶縁層間に形成された金属層とを備える積層膜よりなることを特徴とする請求項1記載のスピン偏極エミッタ。 The tunnel insulating film, spin-polarized emitter according to claim 1, characterized in that the layer film comprising a plurality of insulating layers and said plurality of metal layers formed on the insulating interlayer.
  3. 前記トンネル絶縁膜は、絶縁層と前記絶縁層中に分散された複数の金属粒子を備えることを特徴とする請求項1記載のスピン偏極エミッタ。 The tunnel insulating film, spin-polarized emitter according to claim 1, characterized in that it comprises a plurality of metallic particles dispersed in the insulating layer and the insulating layer.
  4. 金属膜と、 And the metal film,
    前記金属膜に積層形成され、絶縁膜と、前記絶縁層中に分散形成された一方向の固定磁化が付与された複数の強磁性粒子とを備えたトンネル絶縁膜と、 Is laminated on the metal film, an insulating film, and a tunnel insulating film in which the pinned magnetization unidirectional dispersed form in the insulating layer has a plurality of ferromagnetic particles granted,
    前記トンネル絶縁膜に積層され、前記トンネル絶縁膜を介して前記金属膜と対向する非磁性金属膜とを備えることを特徴とするスピン偏極エミッタ。 The laminated on the tunnel insulating film, the spin-polarized emitter, characterized in that it comprises a non-magnetic metal film facing the metal layer through the tunnel insulating film.
  5. 前記非磁性金属膜の電子放出面にアルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素を含む層を備えることを特徴とする請求1乃至4のいずれかに記載のスピン偏極エミッタ。 Alkali metal to the electron emitting surface of said nonmagnetic metal film, spin-polarized emitter according to any of claims 1 to 4, characterized in that it comprises a layer containing an alkaline earth metal element.
  6. 前記金属膜が前記固定磁化と同じ向きに固定された磁化を備える強磁性層を備えることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のスピン偏極エミッタ。 Spin polarization emitter according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it comprises a ferromagnetic layer having a magnetization that the metal film is fixed in the same direction as the fixed magnetization.
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