JP2006269510A

JP2006269510A - スピン注入源デバイス及びその製造方法

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Publication number: JP2006269510A
Application number: JP2005081862A
Authority: JP
Inventors: Takashi Suemasu; 崇末益; Hiroyuki Akinaga; 広幸秋永
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2006-10-05

Abstract

【課題】Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長させることができるスピン注入源デバイスの製造方法及びそれによって製造されるスピン注入源デバイスを提供する。
【解決手段】スピン注入源デバイスの製造方法において、Ｓｉ基板１の清浄表面を加熱した状態で、ＣａＦ₂膜２をエピタキシャル成長により形成する工程と、次に、前記ＣａＦ₂膜２上に４００℃でＳｉ３とＦｅ４を同時に照射する分子線エピタキシー法によりＦｅ₃Ｓｉ膜５を形成する工程とを施す。
【選択図】図１

Description

本発明は、スピン注入源デバイス及びその製造方法に関するものである。

半導体と強磁性体とのヘテロ接合を形成することはエレクトロニクスの世界にとって非常に大きな意味を持つものである。しかしこれまでの研究においては、ＧａＡｓ等の化合物半導体を用いて形成を行うものが殆どであり、産業応用上重要なＳｉ基板上への形成に関する研究は、ＭＲＡＭ（ＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅＲａｎｄｏｍ−Ａｃｃｅｓｓ−Ｍｅｍｏｒｙ）が出現するまであまりなかった。

このＭＲＡＭは、その高集積化において、トンネル磁気抵抗比の向上が不可欠であり、強磁性体／絶縁体／強磁性金属へテロ構造のトンネル接合をエピタキシャルで成長することでトンネル障壁を通過する際のスピン散乱が抑制され、トンネル磁気抵抗比が向上することが分かってきている（下記非特許文献１参照）。

また、スピン偏極したキャリアを半導体発光素子に注入することで、左回り又は右回りの円偏光を取り出すことができ、スピンの情報を光に変えることも可能である。しかしながら、このようなデバイスも、これまでＧａＡｓをベースとするＬＥＤに強磁性金属（Ｆｅ₃Ｓｉ）や強磁性半導体である（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓからスピン偏極キャリアを注入して実現されてはいる（下記非特許文献２〜５参照）が、まだＳｉベースでのデバイスは報告されていない。
Ｙｕａｓａｅｔａｌ．，ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ．Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．４Ｂ（２００４）Ｌ５８８−５９０．Ｆｉｅｄｅｒｌｉｎｇｅｔａｌ．，ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８２，Ｎｏ．１３（２００３）２１６０−２１６２．Ｊｏｎｋｅｒｅｔａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，Ｖｏｌ．６２，Ｎｏ．１２（２０００）８１８０−８１８３．Ｏｈｎｏｅｔａｌ．，Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．４０２（１９９９）７９０−７９２．Ｓｃｈｍｉｄｔｅｔａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，Ｖｏｌ．６２，Ｎｏ．８（２０００）Ｒ４７９０−Ｒ４７９３．Ｓｕｅｍａｓｕｅｔａｌ．，ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ．Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．１０Ｂ（２０００）Ｌ１０１３−Ｌ１０１５．Ｔａｋａｕｊｉｅｔａｌ．，ｔｏｂｅｐｕｂｌｉｓｈｅｄｉｎＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ．Ｖｏｌ．４４，４Ｂ（２００５）．Ｙｏｓｈｉｔａｋｅｅｔａｌ．，ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．７Ｂ（２００３）Ｌ８４９−Ｌ８５１．Ｈｅｒｆｏｒｔｅｔａｌ．，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ２２（４），（２００４）２０７３−２０７８．Ｔ．Ｍａｎａｇｏｅｔａｌ．，ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓＶｏｌ．８１，Ｎｏ．４．（２００２）６９４−６９６．

これまでにも、強磁性体であるＦｅ₃ＳｉをＳｉ基板上に堆積しようとする試みは既になされているが（上記非特許文献８参照）、Ｓｉ基板上に直接堆積したのでは、Ｆｅ₃ＳｉとＳｉ基板界面にＦｅＳｉ等の副生成物が形成されるという問題があった。今のところ石英上に多結晶Ｆｅ₃Ｓｉを成長したとの報告はあるものの、エピタキシャル成長したとの報告はなされていない。ＧａＡｓ基板上においては、Ｆｅ₃ＳｉをＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長したとの報告がある（上記非特許文献９参照）。

また、金属層／絶縁層／半導体層〔強磁性金属（Ｃｏ，Ｆｅ，及びＮｉＦｅ）／Ａｌ₂Ｏ₃／ＡｌＧａＡｓ〕を用いたスピン偏光発光ダイオードについて報告されている。

このように、Ｓｉ基板上に金属を積層すると必ず界面反応が起きて副生成物ができてしまい、これがスピンエレクトロニクス分野において、シリコンを基板に用いることができない大きな原因であった。

本発明は、上記状況に鑑みて、Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長させることができるスピン注入源デバイス及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕スピン注入源デバイスにおいて、Ｓｉ基板上にＣａＦ₂膜を介して積層されるＦｅ₃Ｓｉ膜を有することを特徴とする。

〔２〕スピン注入源デバイスにおいて、Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長したＣａＦ₂膜を介して、エピタキシャルＦｅ₃Ｓｉ膜が積層された金属／絶縁体／半導体構造を有することを特徴とする。

〔３〕スピン注入源デバイスの製造方法において、Ｓｉ基板の清浄表面を加熱した状態で、ＣａＦ₂膜をエピタキシャル成長により形成する工程と、前記ＣａＦ₂膜上に分子線エピタキシー法によりＦｅ₃Ｓｉ膜を形成する工程とを順次施すことを特徴とする。

〔４〕スピン注入源デバイスの製造方法において、超高真空下でＳｉ基板の清浄表面を加熱した状態で、エピタキシャル成長により厚さ１０ｎｍを超えないＣａＦ₂膜を形成し、前記ＣａＦ₂膜上に加熱した状態でＳｉとＦｅを同時に照射する分子線エピタキシー法によりＦｅ₃Ｓｉ膜を１０〜２００ｍｍ成長させることを特徴とする。

〔５〕上記〔４〕記載のスピン注入源デバイスの製造方法において、前記ＦｅとＳｉの蒸着速度は、それぞれ１．０〜４．０ｎｍ／ｍｉｎ、１．０〜６．０ｎｍ／ｍｉｎとすることを特徴とする。

本発明によれば、Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長したＣａＦ₂を用いることで、この上に形成するＦｅ₃Ｓｉ膜とＳｉ基板との反応を避けてエピタキシャル成長することができ、界面に副生成物を形成することなく、結晶性のよいスピン注入源デバイスを作製することができる。

本発明のスピン注入源デバイスの製造方法は、Ｓｉ基板の清浄表面を加熱した状態で、ＣａＦ₂膜をエピタキシャル成長により形成する工程と、次に、前記ＣａＦ₂膜上に４００℃でＳｉとＦｅを同時に照射する分子線エピタキシー法によりＦｅ₃Ｓｉ膜を形成する工程とを施す。よって、界面に副生成物を形成することなく、結晶性のよいスピン注入源デバイスを作製することができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施例を示すスピン注入源デバイスの製造工程模式図である。

まず、図１（ａ）に示すように、超高真空下、Ｓｉ（１１１）基板１の清浄表面を６００℃に加熱した状態でＣａＦ₂膜 (厚さ８ｎｍ）２（ただし、ＣａＦ₂膜２の厚さは１０ｎｍを超えない）をＫセルより蒸着して、エピタキシャル成長する。ＣａＦ₂膜２のエピタキシャル成長は、図２に示す反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）像より確認している。図２から明らかなように、ストリーク像となっているので、Ｓｉ（１１１）基板上１にＣａＦ₂膜２がエピタキシャル成長したことが分かる。

次に、図１（ｂ）に示すように、このＣａＦ₂膜２上に４００℃でＳｉ３とＦｅ４を同時に照射する分子線エピタキシー法によりＦｅ₃Ｓｉ膜５′を５０〜１００ｍｍ（７５ｍｍが最適）成長させる。

このとき、Ｆｅ４とＳｉ３の蒸着速度は、それぞれ２．４ｎｍ／ｍｉｎ（１．０〜４．０ｎｍ／ｍｉｎでもよい），４．２ｎｍ／ｍｉｎ（１．０〜６．０ｎｍ／ｍｉｎでもよい）とすると、図１（ｃ）に示すように、Ｆｅ₃Ｓｉ膜５がエピタキシャル成長し、Ｆｅ₃Ｓｉ／ＣａＦ₂／Ｓｉ基板構造を作製できる。

なお、４００℃という成長温度は、Ｆｅ４とＳｉ３を同時に照射する際の基板温度を３００℃から６００℃まで変化させ、形成された膜のＲＨＥＥＤ像およびＸ線回折測定を行い、４００℃のときにＦｅ₃Ｓｉがエピタキシャル成長できていたことから決定した。図３は、基板温度を（ａ）３００℃、（ｂ）４００℃、（ｃ）５００℃、（ｄ）６００℃としたＣａＦ₂膜上に、、ＦｅとＳｉを同時に蒸着した後のＲＨＥＥＤ像であり、基板温度が４００℃〔図３（ｂ）〕と５００℃〔図３（ｃ）〕の時に、ストリーク像となっているので、膜がエピタキシャル成長したことが分かる。

なお、上記に代わるＦｅ₃Ｓｉ膜の形成方法としては、ＦｅとＳｉの交互積層によるＦｅ₃Ｓｉのエピタキシャル成長や、Ｆｅ₃Ｓｉの焼結体のスパッタによることも考えられる。

図４は図３で成長温度を変えて堆積した本発明にかかるＦｅ₃Ｓｉ膜のθ−２θＸ線回折結果を示す図であり、４００℃の基板温度で成長させた時にＦｅ₃Ｓｉ膜５が（１１１）配向でエピタキシャル成長したことを示している。

図５は本発明にかかるＦｅ₃Ｓｉ（７５ｎｍ）／ＣａＦ₂（８ｎｍ）／Ｓｉ（１１１）基板構造の、室温におけるＫｅｒｒ回転角の磁場依存性を示す図である。この図に示すように室温におけるＫｅｒｒ回転角の磁場依存性を使って評価したところ、明瞭な四角形のヒステリシスループを得ることができた。このことは、形成したＦｅ₃Ｓｉ膜５が良好な磁気特性を持っていることを示している。

このように、ＣａＦ₂層を挟んだことで、Ｆｅ₃ＳｉとＳｉ基板との反応を抑え、かつエピタキシャル成長させることができた。

図６は本発明にかかるＦｅ₃Ｓｉ膜のＭＦＭ像（磁気力顕微鏡像）である。

この図から明らかなように、十分に強磁性特性を有していることが確認できた。

上記の通り、Ｓｉ基板上に強磁性金属Ｆｅ₃Ｓｉ、絶縁体ＣａＦ₂からなるＦｅ₃Ｓｉ／ＣａＦ₂／Ｓｉ基板ヘテロ構造のエピタキシャル成長に成功した。この構造は、Ｆｅ₃Ｓｉ中に存在するスピン偏極キャリアをＳｉベースの電子デバイスへ注入するためのスピン注入源デバイスとして用いることができる。

なお、Ｓｉ，Ｆｅ₃Ｓｉ，ＣａＦ₂の格子不整合は大きくないため、Ｓｉ（００１）基板上においても同様の方法を用いてスピン注入源デバイスを作製することができる。

本発明のスピン注入源デバイスは、半導体と強磁性体との組み合わせであり、非常に広い分野に利用できる。

Ｓｉ基板上にエピタキシャルでスピン注入源を形成できたことで、Ｓｉへのスピン偏極キャリアの注入が可能となり、Ｓｉベースのスピンエレクトロニクスの分野を切り開くことになる。また、例えば、ＭＲＡＭでは、強磁性体／絶縁体／強磁性金属へテロ構造のトンネル接合をエピタキシャルで成長することで性能の格段の向上が期待される。

特に、本発明ではＳｉ基板上にエピタキシャル成長したＦｅ₃Ｓｉ／ＣａＦ₂／Ｓｉ構造の上に、さらにＦｅ₃Ｓｉ／ＣａＦ₂を堆積することで、Ｆｅ₃Ｓｉ／ＣａＦ₂／Ｆｅ₃Ｓｉ構造も作製可能なので、新しいＭＲＡＭ材料となり得る。

また、本発明者がこれまで開発してきたＳｉ／βーＦｅＳｉ₂／Ｓｉ構造発光素子（上記非特許文献６，７参照）の電極部に本発明のＦｅ₃Ｓｉ／ＣａＦ₂／Ｓｉ構造のスピン注入源デバイスを組み合わせることで、磁性体内にあるスピンの情報を右回り又は左回りの円偏光として取り出すことができる。

このように、これまでになかったＳｉベースの発光素子を実現させることができる。

特に、磁気的／結晶工学的な特性を制御するために、Ｆｅ₃ＳｉにＣｏ，Ｎｉを始めとして３ｄ，４ｆ遷移金属の少なくとも１種以上を添加することが可能である。また、電気的絶縁と結晶工学的特性を制御するために、Ｓｒ、ＢａなどII族元素やＣｄのうち少なくとも一つの元素を添加することは、現状の技術レベルからしてデバイス作製に有意義である。ここで、Ｃｄを加えると、ＣａＣｄＦ₂とすることができ、ＣａＦ₂の禁制帯幅を制御できる利点がある。また、ＳｒやＢａはＣａと同じII族であるので、やはり同様の効果が期待される。

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き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。

本発明のスピン注入源デバイスの製造方法及びそれによって製造されるスピン注入源デバイスは、Ｓｉをベースとした磁気半導体メモリーやこれと組み合わせた発光素子として利用可能である。

本発明の実施例を示すスピン注入源デバイスの製造工程模式図である。ＣａＦ₂膜（８ｎｍ）成長後の反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）像を示す図である。異なる基板温度のＣａＦ₂膜（８ｎｍ）上にＦｅとＳｉを同時に蒸着した後の反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）像を示す図である。図３で成長温度を変えて堆積した本発明にかかるＦｅ₃Ｓｉ膜のθ−２θＸ線回折結果を示す図である。本発明にかかるＦｅ₃Ｓｉ（７５ｎｍ）／ＣａＦ₂（８ｎｍ）／Ｓｉ（１１１）基板構造の、室温におけるＫｅｒｒ回転角の磁場依存性を示す図である。本発明にかかるＦｅ₃Ｓｉ膜のＭＦＭ像（磁気力顕微鏡像）である。

符号の説明

１Ｓｉ（１１１）基板
２ＣａＦ₂膜 (厚さ１０ｎｍ未満）
３Ｓｉ
４Ｆｅ
５，５′ Ｆｅ₃Ｓｉ膜

Claims

Ｓｉ基板上にＣａＦ₂膜を介して積層されるＦｅ₃Ｓｉ膜を有することを特徴とするスピン注入源デバイス。
Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長したＣａＦ₂膜を介して、エピタキシャルＦｅ₃Ｓｉ膜が積層された金属／絶縁体／半導体構造を有することを特徴とするスピン注入源デバイス。
（ａ）Ｓｉ基板の清浄表面を加熱した状態で、ＣａＦ₂膜をエピタキシャル成長により形成する工程と、
（ｂ）前記ＣａＦ₂膜上に分子線エピタキシー法によりＦｅ₃Ｓｉ膜を形成する工程とを順次施すことを特徴とするスピン注入源デバイスの製造方法。
（ａ）超高真空下でＳｉ基板の清浄表面を加熱した状態で、エピタキシャル成長により厚さ１０ｎｍを超えないＣａＦ₂膜を形成し、
（ｂ）前記ＣａＦ₂膜上に加熱した状態でＳｉとＦｅを同時に照射する分子線エピタキシー法によりＦｅ₃Ｓｉ膜を１０〜２００ｍｍ成長させることを特徴とするスピン注入源デバイスの製造方法。
請求項４記載のスピン注入源デバイスの製造方法において、前記ＦｅとＳｉの蒸着速度は、それぞれ１．０〜４．０ｎｍ／ｍｉｎ、１．０〜６．０ｎｍ／ｍｉｎとすることを特徴とするスピン注入源デバイスの製造方法。