JP2010287664A - Spin conduction element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スピン伝導素子に関するものである。 The present invention relates to a spin transport device.
スピンを蓄積または伝導するためのチャンネル層上に、磁化自由層及び磁化固定層を設けるスピン伝導素子が知られている。近年、チャンネル層に金属材料を用いたスピン伝導素子に代わって、チャンネル層に半導体材料を用いたスピン伝導素子が多くの注目を集めている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。チャンネル層に半導体材料を用いたスピン伝導素子は、チャンネル層に金属材料を用いたスピン伝導素子よりも、スピン拡散長が長い。
A spin transport element is known in which a magnetization free layer and a magnetization fixed layer are provided on a channel layer for accumulating or conducting spin. In recent years, a spin transport element using a semiconductor material for a channel layer has attracted much attention in place of a spin transport element using a metal material for a channel layer (see, for example,
スピン伝導素子として、強磁性材料からなる磁化自由層及び磁化固定層と、半導体材料からなるチャンネル層とを接続する、いわゆるショットキー接合タイプが知られている。ショットキー接合タイプの場合、界面の影響による特性のばらつきが大きい傾向にある。一方、強磁性材料からなる磁化自由層及び磁化固定層と、半導体材料からなるチャンネル層との間に、トンネル絶縁層を挿入する方法が知られている。トンネル絶縁層を挿入する場合、特性が安定するという利点がある。 As a spin transport element, a so-called Schottky junction type in which a magnetization free layer and a magnetization fixed layer made of a ferromagnetic material and a channel layer made of a semiconductor material are connected is known. In the case of the Schottky junction type, there is a tendency that the characteristic variation due to the influence of the interface is large. On the other hand, a method is known in which a tunnel insulating layer is inserted between a magnetization free layer and a magnetization fixed layer made of a ferromagnetic material and a channel layer made of a semiconductor material. When a tunnel insulating layer is inserted, there is an advantage that characteristics are stabilized.
また、スピン流がチャンネル層の外側へ漏れ出ないように、チャンネル層の表面が、スピン抵抗が高い膜あるいは絶縁膜によって、覆われている。すなわち、チャンネル層は、トンネル絶縁層や、スピン抵抗が高い膜あるいは絶縁膜によって、外側の領域と分離されていた。 Further, the surface of the channel layer is covered with a film having high spin resistance or an insulating film so that the spin current does not leak outside the channel layer. That is, the channel layer is separated from the outer region by a tunnel insulating layer, a film having high spin resistance, or an insulating film.
しかしながら、チャンネル層が電気的に外側の領域と孤立すると、素子作成時や回路形成時などに、電荷がチャンネル層内に蓄積してしまう場合がある。チャンネル層内における電荷の蓄積が許容量を超えると、素子破壊が生じるといった問題があった。 However, if the channel layer is electrically isolated from the outer region, charges may be accumulated in the channel layer when an element is formed or a circuit is formed. When charge accumulation in the channel layer exceeds an allowable amount, there is a problem that element destruction occurs.
そこで、本発明は、半導体材料からなるチャンネル層に電荷が必要以上に蓄積することを抑制し、素子破壊を抑制可能なスピン伝導素子を提供することを課題とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a spin transport device that can suppress the accumulation of charges more than necessary in a channel layer made of a semiconductor material and can suppress device breakdown.
上述の課題を解決するため、本発明のスピン伝導素子は、所定方向に延び、半導体材料からなるチャンネルと、チャンネル上に第1絶縁層を介して配置された磁化固定層と、チャンネル上に第2絶縁層を介して配置された磁化自由層と、チャンネル上に配置された第1電極及び第2電極と、を備え、第1電極、磁化固定層、磁化自由層、及び第2電極は、チャンネル上に所定方向に沿ってこの順に配置され、チャンネルは、所定方向において、第1電極及び第2電極の少なくとも一方よりも外側にまで延在していることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a spin transport device according to the present invention includes a channel made of a semiconductor material extending in a predetermined direction, a magnetization fixed layer disposed on the channel via a first insulating layer, and a first channel on the channel. Comprising a magnetization free layer disposed via two insulating layers, and a first electrode and a second electrode disposed on the channel, the first electrode, the magnetization fixed layer, the magnetization free layer, and the second electrode, It arrange | positions in this order along a predetermined direction on a channel, and the channel is extended to the outer side rather than at least one of the 1st electrode and the 2nd electrode in the predetermined direction.
本発明のスピン伝導素子では、半導体材料からなるチャンネルが、第1電極及び第2電極の少なくとも一方よりも外側に延在している。故に、第1電極及び第2電極の少なくとも一方よりも外側に延在しているチャンネルの部分をアース(接地)することができる。よって、電荷が、チャンネル内に必要以上に蓄積することを抑制できる。従って、素子作成時や回路形成時などに、素子破壊が生じることを抑制できる。また、接地部分が、チャンネルのうち、第1電極及び第2電極の少なくとも一方よりも外側に延在している部分であるため、スピン流のリークや電流のリークが抑制され、スピン伝導素子の動作に悪影響を与え難い。 In the spin transport device of the present invention, the channel made of a semiconductor material extends outward from at least one of the first electrode and the second electrode. Therefore, the portion of the channel extending outside at least one of the first electrode and the second electrode can be grounded (grounded). Therefore, it is possible to suppress the charge from being accumulated more than necessary in the channel. Therefore, it is possible to suppress the destruction of the element at the time of element creation or circuit formation. In addition, since the ground portion is a portion of the channel that extends outward from at least one of the first electrode and the second electrode, spin current leakage and current leakage are suppressed, and the spin transport element Hard to adversely affect operation.
また、接地用電極を更に備え、接地用電極は、チャンネルのうち第1電極及び第2電極の少なくとも一方よりも外側に延在している部分上に設けられていることが好ましい。これにより、チャンネル内に蓄積した電荷を接地用電極から、チャンネルの外側へ好適に逃がすことができる。 Further, it is preferable that a ground electrode is further provided, and the ground electrode is provided on a portion of the channel that extends outward from at least one of the first electrode and the second electrode. Thereby, the electric charge accumulated in the channel can be suitably released from the ground electrode to the outside of the channel.
さらに、第3絶縁層を更に備え、第3絶縁層は、チャンネル、磁化固定層、磁化自由層、第1電極、第2電極、及び接地用電極の側面上と、磁化固定層及び磁化自由層の間と、第1電極及び磁化固定層の間と、第2電極及び磁化自由層の間と、並びに接地用電極及び第1電極または第2電極の間と、に設けられていることが好ましい。これにより、スピン流がチャンネルの外側へ漏れ出ることを防ぎつつ、電荷をチャンネルの外側へ逃すことができる。故に、良好なスピン伝導を保ちつつ、素子破壊を抑制できる。 The third insulating layer further includes a channel, a magnetization fixed layer, a magnetization free layer, side surfaces of the first electrode, the second electrode, and the ground electrode, and a magnetization fixed layer and a magnetization free layer. Between the first electrode and the magnetization fixed layer, between the second electrode and the magnetization free layer, and between the ground electrode and the first electrode or the second electrode. . As a result, the electric charge can be released to the outside of the channel while preventing the spin current from leaking to the outside of the channel. Therefore, element breakdown can be suppressed while maintaining good spin conduction.
また、第3絶縁層を酸化膜とすることが好ましい。酸化膜は、チャンネル上に容易に作製できる。 The third insulating layer is preferably an oxide film. The oxide film can be easily formed on the channel.
また、チャンネルのうち第1電極及び第2電極の少なくとも一方よりも外側に延在している部分に連結し、かつチャンネルの周囲に配置された環状の周囲層を更に備えることが好ましい。これにより、環状の周囲層から容易に接地することができる。 Moreover, it is preferable to further include an annular peripheral layer that is connected to a portion of the channel that extends outward from at least one of the first electrode and the second electrode, and is disposed around the channel. Thereby, it can earth | ground easily from a cyclic | annular surrounding layer.
また、第1及び第2絶縁層を酸化マグネシウムとすることが好ましい。第1及び第2絶縁層に酸化マグネシウムを用いることにより、スピン注入効率が良くなる。 The first and second insulating layers are preferably made of magnesium oxide. By using magnesium oxide for the first and second insulating layers, the spin injection efficiency is improved.
また、磁化自由層及び磁化固定層の材料を、Ti、V、Cr、Mn、Co、Fe、及びNiからなる群から選択される金属、当該群の元素を1以上含む合金、又は、当該群から選択される1以上の元素及びB、C、及びNからなる群から選択される1以上の元素を含む合金とすることが好ましい。これらの材料は軟磁性材料であるため、磁化自由層としての機能を好適に実現することが可能である。また、これらの材料はスピン分極率の大きい強磁性材料であるため、磁化固定層としての機能を好適に実現することが可能である。 Further, the material of the magnetization free layer and the magnetization fixed layer may be a metal selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Co, Fe, and Ni, an alloy containing one or more elements of the group, or the group It is preferable to use an alloy containing one or more elements selected from the group consisting of B, C, and N. Since these materials are soft magnetic materials, the function as a magnetization free layer can be suitably realized. In addition, since these materials are ferromagnetic materials having a high spin polarizability, it is possible to suitably realize the function as a magnetization fixed layer.
また、磁化自由層及び磁化固定層には、形状異方性によって保磁力差を付けることが好ましい。これにより、保磁力差をつけるための反強磁性層を省略することが可能である。 Moreover, it is preferable to give a coercive force difference to the magnetization free layer and the magnetization fixed layer by shape anisotropy. Thereby, it is possible to omit an antiferromagnetic layer for providing a coercive force difference.
また、磁化固定層の保持力を、磁化自由層の保磁力よりも大きくすることが好ましい。これにより、スピン伝導素子における磁化固定層及び磁化自由層としての機能を好適に実現することが可能である。 Moreover, it is preferable to make the coercive force of the magnetization fixed layer larger than the coercivity of the magnetization free layer. Thereby, it is possible to suitably realize the functions as the magnetization fixed layer and the magnetization free layer in the spin transport element.
また、磁化固定層上に形成された反強磁性層を更に備え、反強磁性層により、磁化固定層の磁化の向きを固定することが好ましい。反強磁性層が磁化固定層と交換結合することにより、磁化固定層の磁化方向に一方向異方性を付与することが可能となる。この場合、反強磁性層を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する磁化固定層を得られる。 Further, it is preferable to further include an antiferromagnetic layer formed on the magnetization fixed layer, and to fix the magnetization direction of the magnetization fixed layer by the antiferromagnetic layer. When the antiferromagnetic layer is exchange-coupled with the magnetization fixed layer, it is possible to impart unidirectional anisotropy to the magnetization direction of the magnetization fixed layer. In this case, a magnetization fixed layer having a higher coercive force in one direction can be obtained than when no antiferromagnetic layer is provided.
本発明によれば、電荷が、半導体材料からなるチャンネルに必要以上に蓄積することを抑制し、素子破壊を抑制可能なスピン伝導素子を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can suppress that an electric charge accumulate | stores more than necessary in the channel which consists of semiconductor materials, and can provide the spin transport element which can suppress element destruction.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
(第1実施形態)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
(First embodiment)
第1実施形態では、スピン伝導素子100のチャンネルが島状あるいは細線状である例を示す。図1は、スピン伝導素子100の斜視図である。図2は、図1におけるII−II線に沿った断面図である。図3は、図1におけるIII−III線に沿った断面図である。
In the first embodiment, an example in which the channel of the
図2に示すように、スピン伝導素子100は、半導体としてシリコンを用いた場合において、シリコン基板1、絶縁層2、シリコンチャンネル7、絶縁層8、磁化固定層12B、磁化自由層12C、第1電極20A、及び第2電極20Dを主として備えている。
As shown in FIG. 2, in the case where silicon is used as a semiconductor, the
シリコン基板1上に、絶縁層2及びシリコンチャンネル7がこの順に設けられている。絶縁層2として、例えば酸化シリコンや窒化シリコンが挙げられる。シリコン基板1、絶縁層2、及びシリコンチャンネル7には、例えばSOI(Silicon On Insulator)基板を用いることができる。
An
絶縁層8は、トンネル磁気抵抗効果を発現させるための絶縁膜である。絶縁層8は、シリコンチャンネル7上に接して設けられている。図2に示す例では、絶縁層8は、第1絶縁層81及び第2絶縁層82からなる。
The insulating
磁化固定層12Bは、第1絶縁層81を介してシリコンチャンネル7上に設けられている。磁化自由層12Cは、第2絶縁層82を介してシリコンチャンネル7上に設けられている。
The magnetization fixed layer 12 </ b> B is provided on the
第1電極20A及び第2電極20Dは、シリコンチャンネル7上に配置されている。第1電極20Aと第2電極20Dとの間に、磁化固定層12B及び磁化自由層12Cが配置されている。
The
シリコンチャンネル7は、スピンが伝導し拡散する層として機能する。シリコンチャンネル7は、例えばシリコンを有する。シリコンチャンネル7は、所定方向Axに延びている。所定方向Axは、Y軸方向に平行とする。
The
図2では、シリコンチャンネル7上において、所定方向Axに沿って、第1電極20A、磁化固定層12B、磁化自由層12C、及び第2電極20Dがこの順に配置されている例を示す。
FIG. 2 shows an example in which the
シリコンチャンネル7は、第1電極20A及び第2電極20Dよりも外側に延在している。故に、シリコンチャンネル7をアース(接地)することができるので、電荷がシリコンチャンネル7内に必要以上に蓄積することを抑制できる。従って、素子作成時や回路形成時などに、素子破壊が生じることを抑制できる。また、シリコンチャンネルのうち、第1電極及び第2電極の少なくとも一方よりも外側に延在している部分を接地部分とすることができるため、スピン流や電流のリークが抑制され、スピン伝導素子の動作に悪影響を与え難い。
The
以下、シリコンチャンネル7について、より具体的に説明する。シリコンチャンネル7は、第1電極20A及び第2電極20Dにおける、磁化固定層12B及び磁化自由層12Cが設けられている側とは反対側に向かって、第1電極20A及び第2電極20Dよりも外側に延在している。シリコンチャンネル7の一端Pが、第1電極20Aの端部のうち、磁化固定層12B側とは反対側の端部51よりも外側に延在している。また、シリコンチャンネル7の他端Qが、第2電極20Dの端部のうち、磁化自由層12C側とは反対側の端部53よりも外側に延在している。
Hereinafter, the
シリコンチャンネル7は、所定方向Axを長軸とする、例えば、島状、直方体形状あるいは細線状である。シリコンチャンネル7の全長L1は、第1電極20Aの磁化固定層12B側とは反対側の端部51から、第2電極20Dの磁化自由層12C側とは反対側の端部53までの長さL2よりも長い。これにより、シリコンチャンネル7において、第1電極20Aの端部のうち、磁化固定層12B側とは反対側の端部51よりも外側の部分、または第2電極20Dの端部のうち、磁化自由層12C側とは反対側の端部53よりも外側の部分を、接地させるための部分として用いることができる。シリコンチャンネル7の全長L1とは、シリコンチャンネル7の一端Pから他端Qまでの長さをいう。
The
接地用電極S1は、シリコンチャンネル7のうち第1電極20Aよりも外側に延在している部分上に設けられている。具体的には、接地用電極S1は、シリコンチャンネル7の上面のうち、磁化固定層12B側とは反対側の第1電極20Aの端部51よりも外側の上面に設けられている。接地用電極S1は、接地用回路61に接続されている。故に、シリコンチャンネル7内に蓄積した電荷を接地用回路61へ逃がすことができる。図2では、シリコンチャンネル7上において、所定方向Axに、接地用電極S1、第1電極20A、磁化固定層12B、磁化自由層12C、及び第2電極20Dがこの順に一列に配置されている例を示す。
The grounding electrode S1 is provided on a portion of the
図3に示すように、シリコンチャンネル7は、側面に傾斜部を有しており、その傾斜角度θは、50度〜60度である。ここで、傾斜角度θとは、シリコンチャンネル7の底部と側面のなす角度である。なお、シリコンチャンネル7はウェットエッチングにより形成することができ、シリコンチャンネル7の上面は(100)面であることが好ましい。
As shown in FIG. 3, the
抵抗の増大を抑制し、トンネル絶縁層として機能させる観点から、図2に示す第1絶縁層81及び第2絶縁層82の膜厚は、3nm以下であることが好ましい。また、第1絶縁層81及び第2絶縁層82の膜厚は、1原子層厚を考慮して、0.4nm以上であることが好ましい。第1絶縁層81及び第2絶縁層82として、例えば、酸化マグネシウムが用いられる。第1絶縁層81及び第2絶縁層82に酸化マグネシウムを用いることにより、スピン注入効率が良くなる。
From the viewpoint of suppressing an increase in resistance and functioning as a tunnel insulating layer, the thickness of the first insulating
磁化固定層12B及び磁化自由層12Cは、強磁性材料からなる。磁化固定層12B及び磁化自由層12Cの材料として、例えば、Ti、V、Cr、Mn、Co、Fe、及びNiからなる群から選択される金属、当該群の元素を1以上含む合金、又は、当該群から選択される1以上の元素及びB、C、及びNからなる群から選択される1以上の元素を含む合金が挙げられる。これらの材料は軟磁性材料であるため、磁化自由層12Cとしての機能を好適に実現することが可能である。また、これらの材料はスピン分極率の大きい強磁性材料であるため、磁化固定層12Bとしての機能を好適に実現することが可能である。
The magnetization fixed
第1電極20A及び第2電極20Dとして、例えば、AlなどのSiに対して低抵抗な非磁性金属を用いることができる。接地用電極S1には、導電性材料が用いられる。
As the
シリコンチャンネル7の側面には、側面用絶縁層7aが形成されている。さらに、第3絶縁層7bが、シリコンチャンネル7、磁化固定層12B、磁化自由層12C、第1電極20A、第2電極20D、及び接地用電極S1の側面上と、磁化固定層12B及び磁化自由層12Cの間と、第1電極20A及び磁化固定層12Bの間と、第2電極20D及び磁化自由層12Cの間と、並びに接地用電極S1及び第1電極20Aの間と、に設けられている。これにより、接地用に必要な部分以外のシリコンチャンネル7の大部分が絶縁層で覆われることとなる。故に、スピン流がシリコンチャンネルの外側へ漏れ出ることを防ぎつつ、電荷をシリコンチャンネルの外側へ逃すことができる。故に、良好なスピン伝導を保ちつつ、素子破壊を抑制できる。
A
また、第3絶縁層7bにより、シリコンチャンネル7、第1絶縁層81、第2絶縁層82、磁化固定層12B、磁化自由層12C、第1電極20A、第2電極20D、及び接地用電極S1を保護することができ、劣化を抑制できる。側面用絶縁層7a及び第3絶縁層7bには、絶縁材料が用いられ、例えば、酸化シリコンなどの酸化膜や窒化シリコンなどの窒化膜が用いられる。酸化シリコンなどの第3絶縁層7bは、保護膜として好適である。また、酸化シリコン膜は、シリコンからなるシリコンチャンネル7上に容易に作製できる。
Further, the third insulating
第1電極20A上及び第3絶縁層7b(シリコンチャンネル7の傾斜した側面)上に、配線18Aが設けられている。同様に、磁化固定層12B上及び第3絶縁層7b(シリコンチャンネル7の傾斜した側面)上に、配線18Bが設けられている。同様に、磁化自由層12C上及び第3絶縁層7b(シリコンチャンネル7の傾斜した側面)上に、配線18Cが設けられている。同様に、第2電極20D上及び第3絶縁層7b(シリコンチャンネル7の傾斜した側面)上に、配線18Dが設けられている。配線18A〜18Dは、Cuなどの導電性材料からなる。第3絶縁層7b上に配線を設けることにより、この配線によりシリコンチャンネル7のスピンが吸収されることを抑制できる。また、第3絶縁層7b上に配線を設けることにより、配線からシリコンチャンネル7へ電流が流れることを抑制でき、スピン注入効率を向上することができる。
A
配線18A〜18Dのそれぞれの端部には、測定用の電極パッドE1〜E4が設けられている。配線18A〜18Dの端部及び測定用の電極パッドE1〜E4は、絶縁層2上に形成されている。電極パッドE1〜E4は、Auなどの導電性材料からなる。
Measurement electrode pads E1 to E4 are provided at the ends of the
図4(a)は、本発明に係るスピン伝導素子を示す上面図である。図4(b)は、(a)における領域Bを拡大した図である。図4(a)に示すように、シリコンチャンネル7は、Y方向を長軸とした直方体形状を有している。また、第1電極20Aの外側に設けられた接地用電極S1が、接地用回路61に接続されている。
FIG. 4A is a top view showing the spin transport device according to the present invention. FIG. 4B is an enlarged view of the region B in FIG. As shown in FIG. 4A, the
図4(b)に示すように、配線18Bの下には、磁化固定層12Bが設けられている。配線18Cの下には、磁化自由層12Cが設けられている。磁化固定層12B及び磁化自由層12Cは、それぞれX方向を長軸とした直方体形状を有している。Y方向における幅が、磁化固定層12Bよりも磁化自由層12Cの方が大きい。磁化固定層12B及び磁化自由層12Cは、X方向とY方向のアスペクト比の違いによって、反転磁場の差が付けられている。このように、磁化固定層12B及び磁化自由層12Cには、形状異方性によって保磁力差が付けられており、磁化固定層12Bは、磁化自由層12Cよりも保磁力が大きい。
As shown in FIG. 4B, a magnetization fixed
以下、スピン伝導素子100の動作を説明する。図1に示すように、電極パッドE1及びE3を電流源70に接続することにより、磁化固定層12Bに検出用電流を流すことができる。強磁性体である磁化固定層12Bから、絶縁層8を介して、非磁性のシリコンチャンネル7へ検出用電流が流れることにより、磁化固定層12Bの磁化の向きに対応するスピンを有する電子がシリコンチャンネル7へ注入される。注入されたスピンは磁化自由層12C側へ拡散していく。このように、シリコンチャンネル7に流れる電流及びスピン流が、主にY方向に流れる構造とすることができる。そして、外部からの磁界によって変化される磁化自由層12Cの磁化の向き、すなわち電子のスピンと、シリコンチャンネル7の磁化自由層12Cと接する部分の電子のスピンとの相互作用により、シリコンチャンネル7と磁化自由層12Cの間において電圧出力が発生する。この電圧出力は、電極パッドE2及びE4に接続した電圧測定器80により検出することができる。
Hereinafter, the operation of the
第1実施形態にかかるスピン伝導素子100による効果を説明する。第1実施形態にかかるスピン伝導素子100では、シリコンチャンネル7が、第1電極20A及び第2電極20Dよりも外側に延在している。故に、シリコンチャンネル7をアース(接地)することができるので、電荷がシリコンチャンネル7内に必要以上に蓄積することを抑制できる。従って、素子作成時や回路形成時などに、素子破壊が生じることを抑制できる。また、シリコンチャンネルのうち、第1電極及び第2電極の少なくとも一方よりも外側に延在している部分を接地部分とすることができるため、スピン流や電流のリークが抑制され、スピン伝導素子の動作に悪影響を与え難い。
The effect of the
以上、第1実施形態に係るスピン伝導素子について説明したが、本発明はこれに限定されない。 Although the spin transport device according to the first embodiment has been described above, the present invention is not limited to this.
本実施形態では、シリコンチャンネル7が第1電極20A及び第2電極20Dの両方よりも外側に延在している例を示したが、シリコンチャンネル7は、第1電極20A及び第2電極20Dの少なくとも一方よりも外側に延在していればよい。故に、第1電極及び第2電極の少なくとも一方よりも外側に延在しているシリコンチャンネルの部分をアース(接地)することができる。よって、電荷が、シリコンチャンネル内に必要以上に蓄積することを抑制できる。従って、素子作成時や回路形成時などに、素子破壊が生じることを抑制できる。また、接地部分が、シリコンチャンネルのうち、第1電極及び第2電極の少なくとも一方よりも外側に延在している部分であるため、スピン流や電流のリークが抑制され、スピン伝導素子の動作に悪影響を与え難い。
In the present embodiment, an example in which the
また、例えば、第1実施形態では、接地用電極が1つである例を示したが、接地用電極は、複数でも良い。接地用電極は、シリコンチャンネル7のうち第1電極20A及び第2電極20Dの少なくとも一方よりも外側に延在している部分上に設けられていれば良い。例えば、シリコンチャンネル7のうち第1電極20Aよりも外側に延在している部分上に接地用電極(第1接地用電極)S1が設けられており、さらに、シリコンチャンネル7のうち第2電極20Dよりも外側に延在している部分上に別の接地用電極(第2接地用電極)S2(図1参照)が設けられている構成としても良い。この構成の場合、第3絶縁層は、シリコンチャンネル7、磁化固定層12B、磁化自由層12C、第1電極20A、第2電極20D、第1接地用電極、及び第2接地用電極の側面上と、磁化固定層12B及び磁化自由層12Cの間と、第1電極20A及び磁化固定層12Bの間と、第2電極20D及び磁化自由層12Cの間と、第1接地用電極及び第1電極の間と、並びに第2接地用電極及び第2電極の間と、に設けられていることが好ましい。これにより、スピン流がシリコンチャンネルの外側へ漏れ出ることを防ぎつつ、電荷をシリコンチャンネルの外側へ逃すことができる。故に、良好なスピン伝導を保ちつつ、素子破壊を抑制できる。
Further, for example, in the first embodiment, an example in which there is one grounding electrode is shown, but a plurality of grounding electrodes may be provided. The grounding electrode may be provided on a portion of the
また、複数のスピン伝導素子100を並べる場合、複数のスピン伝導素子100を同時に接地しても良い。図5に、スピン伝導素子の変形例を示す。図5では、3つのスピン伝導素子100が同時に接地される例を示す。なお、便宜上、図5では、シリコンチャンネル7上の第3絶縁層7bを省略して図示しているが、第3絶縁層7bは、シリコンチャンネル7上の接地に必要な部分以外に設けられていることが好ましい。
When a plurality of
各スピン伝導素子100において、シリコンチャンネル7を共通電極C1及び共通電極C2にそれぞれ接続することができる。より具体的には、各スピン伝導素子100において、共通電極C1を、シリコンチャンネル7のうち第1電極20Aよりも外側の部分に接続し、共通電極C2を、シリコンチャンネル7のうち第2電極20Dよりも外側の部分に接続する。
In each
すなわち、共通電極C1を、シリコンチャンネル7の一端P側の上面に接続し、共通電極C2を、シリコンチャンネル7の他端Q側の上面に接続すればよい。共通電極C1を接地用回路63に接続し、共通電極C2を接地用回路64に接続することができる。故に、各スピン伝導素子100において、シリコンチャンネル7に必要以上に蓄積した電荷を共通電極C1及び共通電極C2によって、シリコンチャンネル7の外側へ逃がすことができる。あるいは、共通電極C1及び共通電極C2のいずれか一方のみをシリコンチャンネル7に接続する構成とすることも可能である。
(第2実施形態)
That is, the common electrode C1 may be connected to the upper surface of the
(Second Embodiment)
第2実施形態では、スピン伝導素子のシリコンチャンネルが孤立した島状ではなく、シリコンチャンネルの周囲に環状のシリコン層が連結される例を示す。図6は、第2実施形態に係るスピン伝導素子200を示す斜視図である。図7は、第2実施形態に係るスピン伝導素子200を示す上面図である。
In the second embodiment, an example is shown in which a silicon channel of a spin transport element is not an isolated island shape, but an annular silicon layer is connected around the silicon channel. FIG. 6 is a perspective view showing a
第2実施形態のスピン伝導素子200には、第1実施形態のスピン伝導素子100で説明した、シリコン基板1、絶縁層2、シリコンチャンネル7、第1絶縁層81、第2絶縁層82、磁化固定層12B、磁化自由層12C、第1電極20A、第2電極20D、側面用絶縁層7a、第3絶縁層7b、配線18A〜18D、及び電極パッドE1〜E4を同様に適用できる。
The
ただし、第2実施形態のスピン伝導素子200では、第1実施形態のスピン伝導素子100における接地用電極S1がシリコンチャンネル7上に設けられていない。代わりに、スピン伝導素子200では、シリコンチャンネル7のうち第1電極20A及び第2電極20Dの少なくとも一方よりも外側に延在している部分に連結し、かつシリコンチャンネル7の周囲に配置された、環状のシリコン層(環状の周囲層)71を更に備える。そして、接地用電極S3が、環状のシリコン層71の一部上に設けられている。故に、シリコンチャンネル7に蓄積された必要以上の電荷を、環状のシリコン層と接地用電極S3とを介して、外部へ容易に逃がすことができる。また、接地される部分が、シリコンチャンネル7に連結された環状のシリコン層であるため、スピン流や電流のリークが抑制され、スピン伝導素子の動作に悪影響を与え難い。さらに、環状のシリコン層71は、所定の導電性を付与することにより、ノイズのシールドパターンとしても機能させることができる。
However, in the
図6では、スピン伝導素子200が、シリコンチャンネル7のうち第1電極20A及び第2電極20Dよりも外側に延在している2つの部分に連結し、かつシリコンチャンネル7の周囲に配置された、環状のシリコン層71を更に備える例を示す。
In FIG. 6, the
環状のシリコン層71は、接地用電極S3を介して、接地用回路65に接続されている。これにより、環状のシリコン層を介して、シリコンチャンネル7を容易に接地することができる。
The
さらに、環状のシリコン層71の側面と上面上には、第4絶縁層7cが設けられている。シリコンチャンネル7が、第4絶縁層7cに覆われた環状のシリコン層71に包囲されていることにより、シリコンチャンネル7を外部磁気からシールドすることができる。故に、シリコンチャンネル7内で良好なスピン伝導を保てる。シリコンチャンネル7及び環状のシリコン層71は、分離しておらず、同一の層から構成することができる。また、第3絶縁層7b及び第4絶縁層7cも、分離しておらず、同一の層から構成することができる。
Further, a fourth insulating
以上、第1及び第2実施形態で本発明を説明したが、本発明はこれに限定されない。第1及び第2実施形態では、チャンネルとしてシリコンからなるチャンネルを用いる例を示したが、チャンネルは半導体材料からなれば良い。例えば、半導体材料からなるチャンネルとして、GaAsなどの化合物半導体や、炭素系材料などを用いても良い。さらに、第2実施形態における環状のシリコン層71の代わりに、例えばGaAsからなる環状の周囲層や、炭素系材料からなる環状の周囲層などの、環状の半導体材料からなる周囲層を用いることができる。
As mentioned above, although this invention was demonstrated by 1st and 2nd embodiment, this invention is not limited to this. In the first and second embodiments, an example in which a channel made of silicon is used as the channel has been shown, but the channel may be made of a semiconductor material. For example, a compound semiconductor such as GaAs or a carbon-based material may be used as the channel made of a semiconductor material. Further, instead of the
また、例えば、磁化自由層12C及び第2電極側を電流入力用として機能させ、磁化固定層12B及び第1電極側を電圧出力用として機能させることも可能である。また、例えば、磁化固定層12B及び磁化自由層12Cに形状異方性によって保磁力差を付けるのではなく、例えば、磁化固定層12B上に反強磁性層を更に備えても良い。反強磁性層は、磁化固定層12Bの磁化の向きを固定するものとして機能する。反強磁性層が磁化固定層と交換結合することにより、磁化固定層の磁化方向に一方向異方性を付与することが可能となる。この場合、反強磁性層を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する磁化固定層が得られる。反強磁性層に用いられる材料は、磁化固定層に用いられる材料に合わせて選択される。例えば、反強磁性層として、Mnを用いた反強磁性を示す合金、具体的にはMnと、Pt,Ir,Fe,Ru,Cr,Pd,及びNiのうちから選ばれる少なくとも一つの元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、例えば、IrMn、PtMnが挙げられる。
Further, for example, the magnetization
以下、実施例1に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例1に限定されるものではない。
(実施例1)
Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on Example 1, but the present invention is not limited to Example 1 below.
Example 1
シリコン基板、シリコン酸化膜(厚さ200nm)、及びシリコン膜(厚さ100nm)からなるSOI基板を準備した。フォトリソグラフィー法により、SOI基板にアライメントマークを作成した。シリコン膜にn型の導電性を付与するためのイオン注入を行った。そして、アニールにより不純物を拡散させた。アニール温度は、900℃とした。その後、洗浄により、シリコン膜の表面の付着物、有機物、酸化膜、及びマスクの除去をした。洗浄液として、HFを用いた。
An SOI substrate comprising a silicon substrate, a silicon oxide film (
続いて、シリコン膜上に、酸化マグネシウム膜(厚さ0.8nm)を超高真空電子ビーム蒸着法により成膜した。さらに、酸化マグネシウム膜上に、鉄膜(厚さ10nm)、チタン膜、及びタンタル膜をこの順にMBE法により成膜した。なお、チタン膜及びタンタル膜は、磁化固定層となる鉄膜の酸化による特性劣化を抑制するためのキャップ層である。チタン膜及びタンタル膜はアモルファスであるため、鉄膜の結晶性への影響は少ない。 Subsequently, a magnesium oxide film (thickness 0.8 nm) was formed on the silicon film by an ultrahigh vacuum electron beam evaporation method. Further, an iron film (thickness 10 nm), a titanium film, and a tantalum film were formed in this order on the magnesium oxide film by the MBE method. The titanium film and the tantalum film are cap layers for suppressing characteristic deterioration due to oxidation of the iron film serving as the magnetization fixed layer. Since the titanium film and the tantalum film are amorphous, the influence on the crystallinity of the iron film is small.
その後、酸化マグネシウム膜、鉄膜、チタン膜、及びタンタル膜をイオンミリングによりパターニングした。酸化アルミニウム膜、酸化マグネシウム膜、鉄膜、チタン膜、タンタル膜、及びレジストをマスクとして、シリコン膜を異方性ウェットエッチングによりパターニングした。 Thereafter, the magnesium oxide film, iron film, titanium film, and tantalum film were patterned by ion milling. Using the aluminum oxide film, magnesium oxide film, iron film, titanium film, tantalum film, and resist as a mask, the silicon film was patterned by anisotropic wet etching.
図8(a)及び図8(b)に、シリコン膜をパターニングする際に用いるマスクの上面図を示す。図8(a)及び図8(b)に示すように、主要部20と、主要部20から突出した角部21,22とを有するようなマスクM1,M2を用いる。この際、角部21,22が主要部20の面積よりも小さな面積を有するようなマスクを用いると良い。また、主要部20が長方形の場合、突出した角部21,22は、長方形の四隅に配置される。図8(a)のように、マスクM1の角部21は、マスクM1の主要部20と重なる範囲を含めて、正方形でも良い。また、図8(b)のように、マスクM2の角部22は、マスクM2の主要部20と重なる範囲を含めて、円形でも良い。この他にも、マスクの角部は、マスクの主要部と重なる範囲を含めて、例えば、長方形や三角形であっても良い。なお、角部を有さないマスクを用いても実施は可能である。
8A and 8B are top views of masks used when patterning a silicon film. As shown in FIGS. 8A and 8B, masks M <b> 1 and M <b> 2 having a
これにより、直方体形状で、側面に傾斜部を有するシリコンチャンネルを得た。この際、シリコンチャンネルのサイズは、23μm×300μmとした。また、得られたシリコンチャンネルの側面を酸化させて、シリコン酸化膜(側面用絶縁層)を形成した。 As a result, a silicon channel having a rectangular parallelepiped shape and an inclined portion on the side surface was obtained. At this time, the size of the silicon channel was 23 μm × 300 μm. Further, the side surface of the obtained silicon channel was oxidized to form a silicon oxide film (side insulating layer).
その後、イオンミリング及び化学的なエッチングにより鉄膜をパターニングして、磁化固定層及び磁化自由層をそれぞれ得た。磁化固定層及び磁化自由層とシリコンチャンネルとの間以外に位置する酸化膜マグネシウム膜を除去した。これにより、第1絶縁層及び第2絶縁層を得た。露出したシリコンチャンネルのうち、磁化固定層の外側及び磁化自由層の外側に、それぞれAl膜を形成し、第1電極及び第2電極を得た。また、第1電極の外側に導電性材料を成膜し、接地用電極を得た。 Thereafter, the iron film was patterned by ion milling and chemical etching to obtain a magnetization fixed layer and a magnetization free layer, respectively. The magnesium oxide film located other than between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer and the silicon channel was removed. Thereby, the first insulating layer and the second insulating layer were obtained. Among the exposed silicon channels, Al films were formed on the outside of the magnetization fixed layer and the outside of the magnetization free layer, respectively, to obtain a first electrode and a second electrode. Also, a conductive material was deposited on the outside of the first electrode to obtain a grounding electrode.
さらに、シリコンチャンネル側壁のシリコン酸化膜(側面用絶縁層)、第1絶縁層、第2絶縁層、磁化固定層、磁化自由層、第1電極、第2電極、及び接地用電極の側面上と、シリコンチャンネルの上面のうち磁化固定層、磁化自由層、第1電極、第2電極、及び接地用電極の形成されていない部分とに、シリコン酸化膜(第3絶縁層)を形成した。 Further, on the side surfaces of the silicon oxide film (side insulating layer) on the side wall of the silicon channel, the first insulating layer, the second insulating layer, the magnetization fixed layer, the magnetization free layer, the first electrode, the second electrode, and the ground electrode A silicon oxide film (third insulating layer) was formed on a portion of the upper surface of the silicon channel where the magnetization fixed layer, the magnetization free layer, the first electrode, the second electrode, and the ground electrode were not formed.
次に、第1電極、磁化固定層、磁化自由層、及び第2電極上に配線をそれぞれ形成した。配線として、Ta(厚さ10nm)、Cu(厚さ50nm)、及びTa(厚さ10nm)の積層構造を用いた。さらに、各配線の端部にそれぞれ電極パッドを形成した。電極パッドとして、Cr(厚さ50nm)とAu(厚さ150nm)の積層構造を用いた。最後に、接地用電極を接地用回路に接続した。こうして、図1〜4に示すスピン伝導素子100と同様の構成を有する実施例1のスピン伝導素子を作成した。
Next, wirings were formed on the first electrode, the magnetization fixed layer, the magnetization free layer, and the second electrode, respectively. As the wiring, a stacked structure of Ta (thickness 10 nm), Cu (thickness 50 nm), and Ta (thickness 10 nm) was used. Furthermore, an electrode pad was formed at each end of each wiring. A laminated structure of Cr (thickness 50 nm) and Au (thickness 150 nm) was used as the electrode pad. Finally, the grounding electrode was connected to the grounding circuit. Thus, the spin transport device of Example 1 having the same configuration as the
1…シリコン基板、2…絶縁層、7…シリコンチャンネル(半導体材料からなるチャンネル)、7a…側面用絶縁層、7b…第3絶縁層、81…第1絶縁層、82…第2絶縁層、12B…磁化固定層、12C…磁化自由層、18A〜18D…配線、20A…第1電極、20D…第2電極、S1…接地用電極、61…接地用回路、100…スピン伝導素子、E1〜E4…電極パッド。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記チャンネル上に第1絶縁層を介して配置された磁化固定層と、
前記チャンネル上に第2絶縁層を介して配置された磁化自由層と、
前記チャンネル上に配置された第1電極及び第2電極と、を備え、
前記第1電極、前記磁化固定層、前記磁化自由層、及び前記第2電極は、前記チャンネル上に前記所定方向に沿ってこの順に配置され、
前記チャンネルは、前記所定方向において、前記第1電極及び前記第2電極の少なくとも一方よりも外側にまで延在している、スピン伝導素子。 A channel made of a semiconductor material extending in a predetermined direction;
A magnetization fixed layer disposed on the channel via a first insulating layer;
A magnetization free layer disposed on the channel via a second insulating layer;
A first electrode and a second electrode disposed on the channel;
The first electrode, the magnetization fixed layer, the magnetization free layer, and the second electrode are arranged in this order along the predetermined direction on the channel,
The spin transport element, wherein the channel extends to the outside of at least one of the first electrode and the second electrode in the predetermined direction.
前記接地用電極は、前記チャンネルのうち前記第1電極及び前記第2電極の少なくとも一方よりも外側に延在している部分上に設けられている、請求項1または2に記載のスピン伝導素子。 A ground electrode;
3. The spin transport device according to claim 1, wherein the grounding electrode is provided on a portion of the channel that extends outward from at least one of the first electrode and the second electrode. .
前記第3絶縁層は、
前記チャンネル、前記磁化固定層、前記磁化自由層、前記第1電極、前記第2電極、及び前記接地用電極の側面上と、
前記磁化固定層及び前記磁化自由層の間と、
前記第1電極及び前記磁化固定層の間と、
前記第2電極及び前記磁化自由層の間と、並びに
前記接地用電極及び前記第1電極または前記第2電極の間と、に設けられている、請求項3に記載のスピン伝導素子。 A third insulating layer;
The third insulating layer includes
On the side surfaces of the channel, the magnetization fixed layer, the magnetization free layer, the first electrode, the second electrode, and the ground electrode;
Between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer;
Between the first electrode and the magnetization fixed layer;
The spin transport device according to claim 3, provided between the second electrode and the magnetization free layer, and between the ground electrode and the first electrode or the second electrode.
前記反強磁性層は、前記磁化固定層の磁化の向きを固定する、請求項1〜9のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。 An antiferromagnetic layer formed on the magnetization fixed layer;
The spin transport device according to any one of claims 1 to 9, wherein the antiferromagnetic layer fixes the magnetization direction of the magnetization fixed layer.
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