JP2011029573A

JP2011029573A - Tunnel magnetoresistive element, and spin transistor

Info

Publication number: JP2011029573A
Application number: JP2009203971A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Saito; 秀和齋藤; Koji Ando; 功兒安藤
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2009-06-22
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2011-02-10
Anticipated expiration: 2029-09-03
Also published as: JP5273810B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To perform efficient spin injection into a ferromagnetic semiconductor film. <P>SOLUTION: This invention relates to a tunnel magnetoresistive element and a spin transistor which have a ferromagnetic semiconductor film containing InAs, a ferromagnetic metal film, and an insulating film provided between the ferromagnetic semiconductor film and the ferromagnetic metal film. According to this invention, carriers can be spin-injected into the ferromagnetic semiconductor film even when a voltage applied to the ferromagnetic metal film is low by using the ferromagnetic semiconductor film containing InAs. Therefore, the efficient spin-injection into the ferromagnetic semiconductor film from the ferromagnetic metal film can be performed. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、トンネル磁気抵抗素子およびスピントランジスタに関し、特に、強磁性金属膜と強磁性半導体膜とを有するトンネル磁気抵抗素子およびスピントランジスタに関する。 The present invention relates to a tunnel magnetoresistive element and a spin transistor, and more particularly to a tunnel magnetoresistive element and a spin transistor having a ferromagnetic metal film and a ferromagnetic semiconductor film.

トンネル磁気抵抗素子は、２つの強磁性導電性膜の間にキャリアがトンネル伝導可能な膜厚を有する絶縁膜を設けた素子である。強磁性導電性膜の一方を強磁性半導体膜とすることにより、半導体素子とトンネル磁気抵抗素子との集積化が可能となる。強磁性導電性膜の他方を強磁性金属膜とすることにより、スピン偏極したキャリアを強磁性半導体膜の伝導帯（または価電子帯）に注入すること（これをスピン注入）ができる。トンネル磁気抵抗素子は、２つの強磁性導電膜の相対的な磁化方向により磁気抵抗を変化させることができる。よって、半導体素子とトンネル磁気抵抗素子とを集積化することによりスピントランジスタを実現することができる。 A tunnel magnetoresistive element is an element in which an insulating film having a film thickness that allows carriers to tunnel through is provided between two ferromagnetic conductive films. By using one of the ferromagnetic conductive films as a ferromagnetic semiconductor film, the semiconductor element and the tunnel magnetoresistive element can be integrated. By using the other ferromagnetic conductive film as a ferromagnetic metal film, spin-polarized carriers can be injected into the conduction band (or valence band) of the ferromagnetic semiconductor film (this is spin injection). The tunnel magnetoresistive element can change the magnetoresistance depending on the relative magnetization directions of the two ferromagnetic conductive films. Therefore, a spin transistor can be realized by integrating a semiconductor element and a tunnel magnetoresistive element.

非特許文献１には、Ｇａ_１−ｘＭｎ_ｘＡｓ（以降、ＧａＭｎＡｓ（ガリウムマンガン砒素）とも記載する）を含む半導体を用いたトンネル磁気抵抗素子が開示されている Non-Patent Document 1 discloses a tunnel magnetoresistive element using a semiconductor containing Ga _1-x Mn _x As (hereinafter also referred to as GaMnAs (gallium manganese arsenide)).

Appl. Phys. Lett., Vol. 89, ｐ232502 (2006).Appl. Phys. Lett., Vol. 89, p232502 (2006).

しかしながら、Ｇａ_１−ｘＭｎ_ｘＡｓを含む半導体を用いたトンネル磁気抵抗素子においては、強磁性金属膜から強磁性半導体膜への効率的なスピン注入は困難である。 However, in a tunnel magnetoresistive element using a semiconductor containing Ga _1-x Mn _x As, efficient spin injection from the ferromagnetic metal film to the ferromagnetic semiconductor film is difficult.

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、強磁性半導体膜への効率的なスピン注入が可能なトンネル磁気抵抗素子およびスピントランジスタを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a tunnel magnetoresistive element and a spin transistor capable of efficient spin injection into a ferromagnetic semiconductor film.

本発明は、ＩｎＡｓを含む強磁性半導体膜と、強磁性金属膜と、前記強磁性半導体膜と前記強磁性金属膜との間に設けられた絶縁膜と、を具備することを特徴とするトンネル磁気抵抗素子である。本発明によれば、ＩｎＡｓを含む強磁性半導体膜を用いることにより、強磁性金属膜に印加される電圧が小さくとも強磁性半導体膜にキャリアをスピン注入することができる。よって、強磁性金属膜から強磁性半導体膜への効率的なスピン注入が可能となる。 The present invention includes a tunnel including a ferromagnetic semiconductor film containing InAs, a ferromagnetic metal film, and an insulating film provided between the ferromagnetic semiconductor film and the ferromagnetic metal film. It is a magnetoresistive element. According to the present invention, by using a ferromagnetic semiconductor film containing InAs, carriers can be spin-injected into the ferromagnetic semiconductor film even if the voltage applied to the ferromagnetic metal film is small. Therefore, efficient spin injection from the ferromagnetic metal film to the ferromagnetic semiconductor film becomes possible.

上記構成において、前記強磁性半導体膜と前記強磁性金属膜との間の逆方向耐圧は、前記強磁性半導体のエネルギーバンドギャップに対応する電圧より大きい構成とすることができる。この構成によれば、強磁性金属膜に強磁性半導体膜に対し電圧を印加していった場合、逆方向リーク電流が流れる前に、強磁性半導体膜にキャリアをスピン注入することができる。 In the above configuration, the reverse breakdown voltage between the ferromagnetic semiconductor film and the ferromagnetic metal film may be larger than the voltage corresponding to the energy band gap of the ferromagnetic semiconductor. According to this configuration, when a voltage is applied to the ferromagnetic metal film with respect to the ferromagnetic semiconductor film, carriers can be spin-injected into the ferromagnetic semiconductor film before the reverse leakage current flows.

上記構成において、前記絶縁膜は、前記強磁性金属膜から前記強磁性半導体膜にキャリアがトンネル注入できるような膜厚を有する構成とすることができる。また、上記構成において、前記絶縁膜の障壁の高さは前記強磁性半導体膜のエネルギーバンドギャップより大きい構成とすることができる。 In the above structure, the insulating film may have a thickness such that carriers can be tunnel-injected from the ferromagnetic metal film to the ferromagnetic semiconductor film. In the above structure, the height of the barrier of the insulating film may be larger than the energy band gap of the ferromagnetic semiconductor film.

上記構成において、前記強磁性半導体膜は、ＩｎＡｓと砒化磁性元素とを含む構成とすることができる。また、上記構成において、前記強磁性半導体膜には、ドーパントが添加されている構成とすることができる。 In the above structure, the ferromagnetic semiconductor film may include InAs and an arsenic magnetic element. In the above structure, a dopant may be added to the ferromagnetic semiconductor film.

上記構成において、前記強磁性半導体膜の前記絶縁膜と反対側にドーパントを添加した非磁性半導体層を具備し、前記強磁性半導体膜は、ノンドープである構成とすることができる。 In the above structure, a nonmagnetic semiconductor layer to which a dopant is added may be provided on the opposite side of the insulating film to the ferromagnetic semiconductor film, and the ferromagnetic semiconductor film may be non-doped.

本発明は、上記トンネル磁気抵抗素子を有するスピントランジスタである。本発明によれば、効率的なスピン注入が可能なスピントランジスタを提供することができる。 The present invention is a spin transistor having the tunnel magnetoresistive element. According to the present invention, a spin transistor capable of efficient spin injection can be provided.

本発明は、コレクタ層と、前記コレクタ層上に形成され、強磁性半導体膜を含むベース層と、ＩｎＡｓを含む強磁性半導体膜を含むエミッタ層と、前記強磁性半導体膜と前記強磁性金属膜との間に設けられた絶縁膜と、を具備することを特徴とするスピントランジスタである。本発明によれば、ベース層への効率的なスピン注入が可能なスピントランジスタを提供することができる。 The present invention includes a collector layer, a base layer formed on the collector layer and including a ferromagnetic semiconductor film, an emitter layer including a ferromagnetic semiconductor film including InAs, the ferromagnetic semiconductor film, and the ferromagnetic metal film. And an insulating film provided between the two. According to the present invention, it is possible to provide a spin transistor capable of efficient spin injection into the base layer.

本発明によれば、強磁性金属膜から強磁性半導体膜への効率的なスピン注入が可能となる。 According to the present invention, efficient spin injection from a ferromagnetic metal film to a ferromagnetic semiconductor film becomes possible.

図１は、実施例１に係るトンネル磁気抵抗素子の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of the tunnel magnetoresistive element according to the first embodiment. 図２（ａ）および図２（ｂ）は、実施例１に係るトンネル磁気抵抗素子のエネルギーバンド図である。FIG. 2A and FIG. 2B are energy band diagrams of the tunnel magnetoresistive element according to the first embodiment. 図３（ａ）および図３（ｂ）は、比較例１に係るトンネル磁気抵抗素子のエネルギーバンド図である。FIGS. 3A and 3B are energy band diagrams of the tunneling magneto-resistance element according to Comparative Example 1. FIG. 図４は、実施例２に係るトンネル磁気抵抗素子の断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of the tunnel magnetoresistive element according to the second embodiment. 図５は、実施例２係るトンネル磁気抵抗素子の製造条件を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating the manufacturing conditions of the tunnel magnetoresistive element according to the second embodiment. 図６は、実施例２および比較例２に係るトンネル磁気抵抗素子の電流−電圧特性を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing current-voltage characteristics of the tunneling magneto-resistance element according to Example 2 and Comparative Example 2. 図７は、実施例２における磁界の強さに対する磁気抵抗を示した図である。FIG. 7 is a diagram showing the magnetic resistance with respect to the strength of the magnetic field in the second embodiment. 図８（ａ）から図８（ｄ）は、それぞれ図７における（ａ）〜（ｄ）でのトンネル磁気抵抗素子の強磁性半導体膜および強磁性金属膜の磁化の方向を示した図であるFIGS. 8A to 8D are diagrams showing the directions of magnetization of the ferromagnetic semiconductor film and the ferromagnetic metal film of the tunnel magnetoresistive element in FIGS. 7A to 7D, respectively. 図９は、実施例３に係るスピントランジスタの断面模式図である。FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the spin transistor according to the third embodiment.

以下、本発明の実施例を図面を参照に説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

実施例１は、本発明の原理的な例である。図１は、実施例１の断面図である。ＩｎＡｓを含む強磁性半導体膜１０と強磁性金属膜３０との間にトンネル絶縁膜２０が設けられている。強磁性半導体膜１０は、例えば、ＩｎＡｓ（インジウム砒素）と磁性元素（例えば、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）またはＮｉ（ニッケル））を含む。例えば、ＩｎＡｓと砒化磁性元素との混晶であり、例えば、Ｉｎ_１−ｘＭｎ_ｘＡｓ（以降、ＩｎＭｎＡｓ（インジウムマンガン砒素）とも記載する）である。さらに、ＩｎＡｓと砒化磁性元素と他のIII−Ｖ族化合物半導体との混晶でもよい。例えば、Ｉｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｍｎ_ｘＧａ_ｙＡｓでもよい。また、複数の強磁性半導体膜の積層膜でもよい。 Example 1 is a principle example of the present invention. FIG. 1 is a cross-sectional view of the first embodiment. A tunnel insulating film 20 is provided between the ferromagnetic semiconductor film 10 containing InAs and the ferromagnetic metal film 30. The ferromagnetic semiconductor film 10 includes, for example, InAs (indium arsenide) and a magnetic element (for example, Mn (manganese), Cr (chromium), Fe (iron), Co (cobalt), or Ni (nickel)). For example, it is a mixed crystal of InAs and a magnetic arsenide element, for example, In _1-x Mn _x As (hereinafter also referred to as InMnAs (indium manganese arsenide)). Further, it may be a mixed crystal of InAs, an arsenic magnetic element, and another group III-V compound semiconductor. For example, In _1-xy Mn _x Ga _y As may be used. Further, a laminated film of a plurality of ferromagnetic semiconductor films may be used.

絶縁膜２０は、強磁性金属膜３０から強磁性半導体膜１０に伝導するキャリアに対し障壁を有しており、かつ強磁性金属膜３０から強磁性半導体膜１０にキャリア（電子またはホール）がトンネル注入できる膜厚を有する。絶縁膜２０としては、例えば、ＺｎＳｅ（亜鉛セレン）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＺｎＴｅ(テルル化亜鉛)、ＡｌＳｂ（アンチモン化アルミニウム）、ＡｌＡｓ（砒素化アルミニウム）、ＡｌＯ_ｘ（酸化アルミニウム）またはＧａＯ_ｘ（酸化ガリウム）等である。強磁性金属膜３０は、強磁性の金属膜であり、Ｆｅ、ＣｏまたはＮｉ等の単元素金属でもよいし、ＦｅＣｏ（鉄コバルト）、ＦｅＣｏＢｏ（鉄コバルトボロン）またはＦｅＮｉ（パーマロイ）等の合金でもよい。また、複数の強磁性金属膜の積層膜でもよい。 The insulating film 20 has a barrier against carriers conducted from the ferromagnetic metal film 30 to the ferromagnetic semiconductor film 10, and carriers (electrons or holes) tunnel from the ferromagnetic metal film 30 to the ferromagnetic semiconductor film 10. It has a film thickness that can be implanted. As the insulating film 20, for example, ZnSe (zinc selenium), MgO (magnesium oxide), ZnTe (zinc telluride), AlSb (aluminum antimonide), AlAs (aluminum arsenide), AlO _x (aluminum oxide), or GaO _x. (Gallium oxide). The ferromagnetic metal film 30 is a ferromagnetic metal film, and may be a single element metal such as Fe, Co, or Ni, or an alloy such as FeCo (iron cobalt), FeCoBo (iron cobalt boron), or FeNi (permalloy). Good. Further, a laminated film of a plurality of ferromagnetic metal films may be used.

図２（ａ）から図３（ｂ）を用い、実施例１の効果について説明する。図２（ａ）および図２（ｂ）は、実施例１に係るトンネル磁気抵抗素子のエネルギーバンド図である。図３（ａ）および図３（ｂ）は、比較例１に係るトンネル磁気抵抗素子のエネルギーバンド図である。実施例１の強磁性半導体膜１０のエネルギーバンドギャップＥ_ｇ１は比較例１のエネルギーバンドギャップＥ_ｇ２より小さい。実施例１の強磁性半導体膜１０は例えばＩｎＭｎＡｓであり、比較例１の強磁性半導体膜１０は例えばＧａＭｎＡｓである。実施例１および比較例１とも強磁性半導体膜１０はｐ型半導体の例を示している。図２（ａ）および図３（ａ）は、強磁性半導体膜１０と強磁性金属膜３０との間に電圧を印加しない場合を示し、図２（ｂ）および図３（ｂ）は、強磁性半導体膜１０に対し強磁性金属膜３０に負の電圧を印加した場合を示している。 The effects of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 2 (a) to 3 (b). FIG. 2A and FIG. 2B are energy band diagrams of the tunnel magnetoresistive element according to the first embodiment. FIGS. 3A and 3B are energy band diagrams of the tunneling magneto-resistance element according to Comparative Example 1. FIG. The energy band gap E _g1 of the ferromagnetic semiconductor film 10 of Example 1 is smaller than the energy band gap E _g2 of Comparative Example 1. The ferromagnetic semiconductor film 10 of Example 1 is InMnAs, for example, and the ferromagnetic semiconductor film 10 of Comparative Example 1 is GaMnAs, for example. In both Example 1 and Comparative Example 1, the ferromagnetic semiconductor film 10 is an example of a p-type semiconductor. 2A and 3A show a case where no voltage is applied between the ferromagnetic semiconductor film 10 and the ferromagnetic metal film 30, and FIG. 2B and FIG. The case where a negative voltage is applied to the ferromagnetic metal film 30 with respect to the magnetic semiconductor film 10 is shown.

図２（ａ）のように、実施例１では、強磁性半導体膜１０の価電子帯のトップ（単に価電子帯ともいう）Ｅ_ｖと伝導帯のボトム（単に伝導帯ともいう）Ｅ_ｃとの差であるエネルギーバンドギャップＥ_ｇ１は小さい。強磁性半導体膜１０はｐ型のため、フェルミ準位Ｅ_Ｆは価電子帯Ｅ_ｖ近くにある。強磁性半導体膜１０と強磁性金属膜３０との電位差はほぼ０のため、強磁性半導体膜１０と強磁性金属膜３０とのフェルミ準位Ｅ_Ｆはほぼ一致している。絶縁膜２０の電子親和力は強磁性半導体膜１０の電子親和力より小さい。すなわち、絶縁膜２０の障壁の高さＥ_ｂ（強磁性金属膜３０の仕事関数と絶縁膜２０の電子親和力の差）は強磁性半導体膜１０のエネルギーバンドギャップＥ_ｇ１より大きい。これにより、絶縁膜２０は強磁性金属膜３０から強磁性半導体膜１０へのキャリア（この場合は、強磁性半導体膜１０の少数キャリアである電子）の障壁として機能する。 As shown in FIG. 2A, in Example 1, the top of the valence band (also simply referred to as valence band) E _v and the bottom of the conduction band (also referred to simply as conduction band) E _{c of} the ferromagnetic semiconductor film 10 The energy band gap E _g1 that is the difference between the two is small. Since the ferromagnetic semiconductor film 10 of the p-type, the Fermi level E _F is near the valence band E _v. Because of the potential difference is almost zero and the ferromagnetic semiconductor layer 10 and the ferromagnetic metal film 30, the Fermi level E _F of the ferromagnetic semiconductor layer 10 and the ferromagnetic metal film 30 is substantially equal to. The electron affinity of the insulating film 20 is smaller than the electron affinity of the ferromagnetic semiconductor film 10. That is, the barrier height E _b of the insulating film 20 (difference between the work function of the ferromagnetic metal film 30 and the electron affinity of the insulating film 20) is larger than the energy band gap E _g1 of the ferromagnetic semiconductor film 10. Accordingly, the insulating film 20 functions as a barrier for carriers from the ferromagnetic metal film 30 to the ferromagnetic semiconductor film 10 (in this case, electrons that are minority carriers of the ferromagnetic semiconductor film 10).

図２（ｂ）のように、強磁性金属膜３０に強磁性半導体膜１０に対し電圧−Ｖ_Ｂ１を印加する。ここで、強磁性金属膜３０のフェルミ準位Ｅ_Ｆが強磁性半導体膜１０の伝導体Ｅ_ｃより高くなると、強磁性金属膜３０からキャリア４０（電子）が絶縁膜２０をトンネルし強磁性半導体膜１０の伝導体Ｅ_ｃに注入される。このとき、キャリア４０は、強磁性金属膜３０の磁化方向に応じスピン偏極している。強磁性半導体膜１０内では、フェルミ準位Ｅ_Ｆは価電子帯Ｅ_ｖの近くに位置しているため、スピン偏極したキャリア４０を強磁性半導体膜１０にスピン注入するためには、強磁性金属膜３０に強磁性半導体膜１０のエネルギーバンドギャップＥ_ｇ１に対応する電圧−Ｖ_Ｂ１を印加することとなる。 As shown in FIG. 2B, a voltage −V _B1 is applied to the ferromagnetic metal film 30 with respect to the ferromagnetic semiconductor film 10. Here, when the Fermi level E _F of the ferromagnetic metal film 30 is higher than the conductor E _c of the ferromagnetic semiconductor layer 10, the carrier 40 from the ferromagnetic metal film 30 (electrons) and the tunnel insulating film 20 ferromagnetic semiconductor It is injected into the conductor E _c of the membrane 10. At this time, the carrier 40 is spin-polarized according to the magnetization direction of the ferromagnetic metal film 30. The ferromagnetic semiconductor film 10, since the Fermi level E _F is close to the valence band E _v, in order to spin the carrier 40 that is polarized in the ferromagnetic semiconductor film 10, ferromagnetic A voltage −V _B1 corresponding to the energy band gap E _g1 of the ferromagnetic semiconductor film 10 is applied to the metal film 30.

図３（ａ）のように、比較例１では、強磁性半導体膜１０のエネルギーバンドギャップＥ_ｇ２が実施例１に比べ大きい。このため、図３（ｂ）のように、強磁性金属膜３０のキャリアを強磁性半導体膜１０の伝導帯Ｅ_ｃに注入するために強磁性金属膜３０に印加する電圧−Ｖ_Ｂ２は、図２（ｂ）の実施例１より大きくなる。電圧Ｖ_Ｂ２が強磁性半導体膜１０と強磁性金属膜３０との間の逆方向耐圧より大きくなると、強磁性金属膜３０から強磁性半導体膜１０にスピン偏極したキャリアが注入される前に、逆方向リーク電流が流れてしまう。これにより、強磁性半導体膜１０への効率的なスピン注入が行なわれない。 As shown in FIG. 3A, in Comparative Example 1, the energy band gap E _g2 of the ferromagnetic semiconductor film 10 is larger than that in Example 1. Therefore, as shown in FIG. 3B, the voltage −V _B2 applied to the ferromagnetic metal film 30 to inject carriers in the ferromagnetic metal film 30 into the conduction band E _c of the ferromagnetic semiconductor film 10 is It becomes larger than Example 1 of 2 (b). When the voltage V _B2 becomes larger than the reverse breakdown voltage between the ferromagnetic semiconductor film 10 and the ferromagnetic metal film 30, before spin-polarized carriers are injected from the ferromagnetic metal film 30 to the ferromagnetic semiconductor film 10, A reverse leakage current flows. Thereby, efficient spin injection into the ferromagnetic semiconductor film 10 is not performed.

一方、実施例１によれば、強磁性半導体膜１０のエネルギーバンドギャップＥ_ｇ１が小さいため、強磁性半導体膜１０と強磁性金属膜３０との間の逆方向耐圧を、エネルギーバンドギャップＥ_ｇ１に対応する電圧より大きくすることができる。これにより、強磁性金属膜３０に強磁性半導体膜１０に対し負の電圧を印加していった場合、逆方向リーク電流が流れる前に、強磁性半導体膜１０にキャリアをスピン注入することができる。このように、ＩｎＡｓを含む強磁性半導体膜を用いることにより、強磁性金属膜に印加される電圧が小さくとも強磁性半導体膜にキャリアをスピン注入することができる。よって、強磁性金属膜３０から強磁性半導体膜１０への効率的なスピン注入が可能となる。 On the other hand, according to Example 1, since the energy band gap E _g1 of the ferromagnetic semiconductor film 10 is small, the reverse breakdown voltage between the ferromagnetic semiconductor film 10 and the ferromagnetic metal film 30 is reduced to the energy band gap E _g1 . It can be greater than the corresponding voltage. Thereby, when a negative voltage is applied to the ferromagnetic metal film 30 with respect to the ferromagnetic semiconductor film 10, carriers can be spin-injected into the ferromagnetic semiconductor film 10 before a reverse leakage current flows. . As described above, by using the ferromagnetic semiconductor film containing InAs, carriers can be spin-injected into the ferromagnetic semiconductor film even if the voltage applied to the ferromagnetic metal film is small. Therefore, efficient spin injection from the ferromagnetic metal film 30 to the ferromagnetic semiconductor film 10 becomes possible.

ＩｎＡｓはエネルギーバンドギャップが小さい半導体である。そこで、強磁性半導体膜１０としてＩｎＡｓを含む半導体膜を用いることにより、強磁性金属膜３０から強磁性半導体膜１０への効率的なスピン注入が可能となる。 InAs is a semiconductor with a small energy band gap. Therefore, by using a semiconductor film containing InAs as the ferromagnetic semiconductor film 10, efficient spin injection from the ferromagnetic metal film 30 to the ferromagnetic semiconductor film 10 becomes possible.

図２（ａ）から図３（ｂ）においては、ドーパントが添加された強磁性半導体膜１０の例としてｐ型半導体の例を説明したが、強磁性半導体膜１０はｎ型半導体でもよい。強磁性半導体膜１０がｐ型の場合は、強磁性半導体膜１０の伝導帯に少数キャリアである電子が注入され、強磁性半導体膜１０がｎ型の場合は、強磁性半導体膜１０の価電子帯に少数キャリアであるホールが注入される。 In FIGS. 2A to 3B, the example of the p-type semiconductor has been described as an example of the ferromagnetic semiconductor film 10 to which the dopant is added. However, the ferromagnetic semiconductor film 10 may be an n-type semiconductor. When the ferromagnetic semiconductor film 10 is p-type, minority carrier electrons are injected into the conduction band of the ferromagnetic semiconductor film 10, and when the ferromagnetic semiconductor film 10 is n-type, valence electrons of the ferromagnetic semiconductor film 10. Holes that are minority carriers are injected into the band.

実施例２は、作製したトンネル磁気抵抗素子の例である。図４は、作製した実施例２に係るトンネル磁気抵抗素子の断面図である。図５は、実施例２のトンネル磁気抵抗素子の各層の材料、膜厚およびホール濃度を示している。図４および図５のように、基板５０上に、緩衝膜５２、強磁性半導体層１０、絶縁膜２０、強磁性金属膜３０およびキャップ膜５４が順次積層されている。基板５０は、（００１）面を主面とするｐ型ＧａＡｓであり、Ｚｎ（亜鉛）をドーパントとし、ホール濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３である。緩衝膜５２は、基板５０と強磁性半導体膜１０との格子定数差を緩和する層である。緩衝膜５２は、基板５０上に形成されたｐ型ＡｌＳｂ_０．８Ａｓ_０．２層と、ＡｌＳｂＡｓ（アルミニウムアンチモン砒素）層上に形成されたｐ型Ｉｎ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓ層とを有している。ｐ型ＡｌＳｂＡｓ層は、膜厚が５０ｎｍ、Ｂｅ（ベリリウム）をドーパントとし、ホール濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３である。ｐ型ＩｎＧａＡｓ層は、膜厚が３０ｎｍ、Ｂｅをドーパントとし、ホール濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３である。 Example 2 is an example of a produced tunnel magnetoresistive element. FIG. 4 is a cross-sectional view of the produced tunneling magneto-resistance element according to Example 2. FIG. 5 shows the material, film thickness, and hole concentration of each layer of the tunnel magnetoresistive element of Example 2. As shown in FIGS. 4 and 5, the buffer film 52, the ferromagnetic semiconductor layer 10, the insulating film 20, the ferromagnetic metal film 30, and the cap film 54 are sequentially stacked on the substrate 50. The substrate 50 is p-type GaAs having a (001) plane as a main surface, Zn (zinc) as a dopant, and a hole concentration of 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ . The buffer film 52 is a layer that relaxes the lattice constant difference between the substrate 50 and the ferromagnetic semiconductor film 10. The buffer film 52 includes a p-type AlSb _0.8 As _0.2 layer formed on the substrate 50, and a p-type In _0.7 Ga _0.3 As layer formed on the AlSbAs (aluminum antimony arsenic) layer. have. The p-type AlSbAs layer has a film thickness of 50 nm, Be (beryllium) as a dopant, and a hole concentration of 1 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ . The p-type InGaAs layer has a thickness of 30 nm, Be as a dopant, and a hole concentration of 1 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ .

強磁性半導体膜１０は、Ｉｎ_０．９Ｍｎ_０．１Ａｓであり、膜厚が６ｎｍである。絶縁膜２０はＺｅＳｅであり膜厚が３ｎｍである。強磁性金属膜３０は、下から膜厚が１０ｎｍのＦｅ膜と膜厚が１０ｎｍのＣｏ膜の積層膜である。キャップ膜５４は、強磁性金属膜３０の保護と、強磁性金属膜３０との電気的な接触のための膜であり、膜厚が３０ｎｍのＡｕ（金）膜である。 The ferromagnetic semiconductor film 10 is In _0.9 Mn _0.1 As and has a film thickness of 6 nm. The insulating film 20 is ZeSe and has a thickness of 3 nm. The ferromagnetic metal film 30 is a laminated film of an Fe film having a thickness of 10 nm and a Co film having a thickness of 10 nm from the bottom. The cap film 54 is a film for protecting the ferromagnetic metal film 30 and making electrical contact with the ferromagnetic metal film 30, and is an Au (gold) film having a thickness of 30 nm.

各層の成膜は、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法を用いた。ＭＢＥ装置は、III−Ｖ族半導体用チャンバ、II−VI族半導体用チャンバおよび金属膜用チャンバを有している。III−Ｖ族半導体用チャンバは緩衝膜５２、強磁性半導体膜１０の成膜に用いた。II−VI族半導体用チャンバは、絶縁膜２０の成膜に用いた。金属膜用チャンバは強磁性金属膜３０およびキャップ膜５４の成膜に用いた。各チャンバ間は搬送室で連結されている。これにより、各層は大気に曝すことなく超高真空中で一貫して成膜することができる。ＦｅとＣｏ用のセルは電子銃、その他のソースはクヌーセンセルを用いた。 Each layer was formed by MBE (Molecular Beam Epitaxy) method. The MBE apparatus has a group III-V semiconductor chamber, a group II-VI semiconductor chamber, and a metal film chamber. The III-V group semiconductor chamber was used to form the buffer film 52 and the ferromagnetic semiconductor film 10. The II-VI group semiconductor chamber was used to form the insulating film 20. The metal film chamber was used to form the ferromagnetic metal film 30 and the cap film 54. Each chamber is connected by a transfer chamber. Thereby, each layer can be formed into a film consistently in an ultra-high vacuum without being exposed to the atmosphere. The cell for Fe and Co used an electron gun, and the other source used a Knudsen cell.

比較例２として、強磁性半導体膜１０として膜厚が６ｎｍのＧａ_０．９Ｍｎ_０．１Ａｓを用い、他の層は図５と同じトンネル磁気抵抗素子を作製した。 As Comparative Example 2, a tunnel magnetoresistive element having the same thickness as that of FIG. 5 was fabricated using Ga _0.9 Mn _0.1 As having a thickness of 6 nm as the ferromagnetic semiconductor film 10.

図６は、実施例２および比較例２に係る磁気抵抗素子において電流−電圧特性を測定した結果を示した図である。電圧は、基板５０に対しキャップ膜５４に印加した電圧（すなわち、強磁性半導体膜１０に対し強磁性金属膜３０に印加した電圧）であり、強磁性半導体膜１０のエネルギーバンドギャップで規格化している。ここで、実施例２および比較例２の強磁性半導体膜１０のエネルギーバンドギャップはそれぞれ０．４ｅＶおよび１．５ｅＶである。図２（ｂ）で説明したように、規格化電圧が−１．０以下（絶対値が以上）において、強磁性金属膜３０から強磁性半導体膜１０へのスピン注入が可能となる。比較例２においては、規格化電圧を０から負に印加していくと規格化電圧が−１．０となる前に大きな電流が流れてしまう。これは、比較例２においては、逆方向耐圧が強磁性半導体膜１０のエネルギーバンドギャップに対応する電圧より小さいため、逆方向リーク電流が流れてしまうためにである。このように、比較例２では、強磁性半導体膜１０にスピン注入する前にリーク電流が流れてしまう。 FIG. 6 is a diagram showing the results of measuring current-voltage characteristics in the magnetoresistive elements according to Example 2 and Comparative Example 2. The voltage is a voltage applied to the cap film 54 with respect to the substrate 50 (that is, a voltage applied to the ferromagnetic metal film 30 with respect to the ferromagnetic semiconductor film 10), and is normalized by the energy band gap of the ferromagnetic semiconductor film 10. Yes. Here, the energy band gaps of the ferromagnetic semiconductor films 10 of Example 2 and Comparative Example 2 are 0.4 eV and 1.5 eV, respectively. As described with reference to FIG. 2B, spin injection from the ferromagnetic metal film 30 to the ferromagnetic semiconductor film 10 is possible when the normalized voltage is −1.0 or less (absolute value is more). In Comparative Example 2, when the normalized voltage is applied from 0 to negative, a large current flows before the normalized voltage becomes −1.0. This is because, in Comparative Example 2, since the reverse breakdown voltage is smaller than the voltage corresponding to the energy band gap of the ferromagnetic semiconductor film 10, a reverse leakage current flows. Thus, in Comparative Example 2, a leak current flows before spin injection into the ferromagnetic semiconductor film 10.

一方、実施例２においては、０Ｖから負に電圧を印加していくと規格化電圧が−１．０あたりから電流が流れはじめている。このように、実施例２では、リーク電流が流れる前に、強磁性金属膜３０から強磁性半導体膜１０へのキャリアのスピン注入が可能となる。 On the other hand, in Example 2, when a negative voltage is applied from 0 V, a current starts to flow from around the normalized voltage of −1.0. As described above, in Example 2, spin injection of carriers from the ferromagnetic metal film 30 to the ferromagnetic semiconductor film 10 can be performed before the leakage current flows.

作製した実施例２に係るトンネル磁気抵抗素子を用い、１０Ｋにおいて磁気抵抗曲線を測定した。図７は、磁界の強さに対する素子抵抗を示した図である。図８（ａ）〜図８（ｄ）は、それぞれ図７における（ａ）〜（ｄ）での強磁性半導体膜１０および強磁性金属膜３０の磁化の方向を示した図である。 Using the produced tunneling magnetoresistive element according to Example 2, the magnetoresistance curve was measured at 10K. FIG. 7 is a diagram showing the element resistance with respect to the strength of the magnetic field. FIGS. 8A to 8D are diagrams showing the magnetization directions of the ferromagnetic semiconductor film 10 and the ferromagnetic metal film 30 in FIGS. 7A to 7D, respectively.

図７および図８（ａ）のように、磁界の強さが１０００Ｏｅでは、強磁性半導体膜１０および強磁性金属膜３０は同じ方向に磁化している。すなわち平行磁化状態である。よって、トンネル磁気抵抗素子の抵抗変化率は小さい。図８（ｂ）のように、磁界の強さを小さくし、磁界の強さを負とすると、強磁性半導体膜１０および強磁性金属膜３０のうち保磁力の小さい一方（図８（ｂ）では強磁性半導体膜１０）の磁化が反転する。これにより、強磁性半導体膜１０と強磁性金属膜３０との磁化方向が異なり、反平行状態となる。よって、トンネル磁気抵抗素子の抵抗変化率が大きくなる。 As shown in FIGS. 7 and 8A, when the strength of the magnetic field is 1000 Oe, the ferromagnetic semiconductor film 10 and the ferromagnetic metal film 30 are magnetized in the same direction. That is, it is a parallel magnetization state. Therefore, the resistance change rate of the tunnel magnetoresistive element is small. As shown in FIG. 8B, when the strength of the magnetic field is reduced and the strength of the magnetic field is negative, one of the ferromagnetic semiconductor film 10 and the ferromagnetic metal film 30 having the smaller coercive force (FIG. 8B). Then, the magnetization of the ferromagnetic semiconductor film 10) is reversed. As a result, the magnetization directions of the ferromagnetic semiconductor film 10 and the ferromagnetic metal film 30 are different from each other and are in an antiparallel state. Therefore, the resistance change rate of the tunnel magnetoresistive element is increased.

図８（ｃ）のように、磁界の強さをさらに小さくすると、強磁性金属膜３０の磁化が反転する。これにより、強磁性半導体膜１０と強磁性金属膜３０との磁化方向は平行状態となる。よって、トンネル磁気抵抗素子の抵抗変化率が小さくなる。図８（ｄ）のように、磁界の強さを大きくし、磁界の強さを正とすると、強磁性半導体膜１０の磁化が反転する。これにより、強磁性半導体膜１０と強磁性金属膜３０との磁化方向は反平行状態となり、抵抗変化率は大きくなる。さらに、磁界の強さを大きくすると、図８（ａ）に戻り、強磁性金属膜３０の磁化が反転し、抵抗変化率は小さくなる。実施例２では、磁気抵抗変化率は１４％であった。なお、磁気抵抗変化率は、［Ｒ（Ｈ）−Ｒｐ］／Ｒｐ×１００（％）で定義される。ここで、Ｒ（Ｈ）は磁界Ｈ中での素子抵抗、Ｒｐは上下の磁性膜の磁化方向が完全に平行に揃った時の素子抵抗である。 As shown in FIG. 8C, when the magnetic field strength is further reduced, the magnetization of the ferromagnetic metal film 30 is reversed. Thereby, the magnetization directions of the ferromagnetic semiconductor film 10 and the ferromagnetic metal film 30 are in a parallel state. Therefore, the resistance change rate of the tunnel magnetoresistive element is reduced. As shown in FIG. 8D, when the strength of the magnetic field is increased and the strength of the magnetic field is positive, the magnetization of the ferromagnetic semiconductor film 10 is reversed. As a result, the magnetization directions of the ferromagnetic semiconductor film 10 and the ferromagnetic metal film 30 are antiparallel, and the resistance change rate is increased. Further, when the strength of the magnetic field is increased, the state returns to FIG. 8A, the magnetization of the ferromagnetic metal film 30 is reversed, and the resistance change rate decreases. In Example 2, the magnetoresistance change rate was 14%. The magnetoresistance change rate is defined by [R (H) −Rp] / Rp × 100 (%). Here, R (H) is the element resistance in the magnetic field H, and Rp is the element resistance when the magnetization directions of the upper and lower magnetic films are perfectly parallel.

以上のように、強磁性半導体膜１０としてＩｎＭｎＡｓを用いることにより、良好なトンネル磁気抵抗素子を形成することができた。 As described above, by using InMnAs as the ferromagnetic semiconductor film 10, a good tunnel magnetoresistive element could be formed.

なお、強磁性半導体膜１０へのドーピングが難しい場合、図５のように、強磁性半導体膜１０は、ノンドープとし、強磁性半導体膜１０の絶縁膜２０と反対側の非磁性半導体膜（緩衝膜５２）にドーパントを添加してもよい。非磁性半導体膜としてｐ型半導体膜の例を説明したが、非磁性半導体膜はｎ型半導体膜でもよい。 When it is difficult to dope the ferromagnetic semiconductor film 10, the ferromagnetic semiconductor film 10 is non-doped as shown in FIG. 5, and a nonmagnetic semiconductor film (buffer film) on the opposite side of the insulating film 20 of the ferromagnetic semiconductor film 10. A dopant may be added to 52). Although an example of a p-type semiconductor film has been described as the nonmagnetic semiconductor film, the nonmagnetic semiconductor film may be an n-type semiconductor film.

実施例３は、実施例１または２に係るトンネル磁気抵抗素子を用いたスピントランジスタの例である。実施例３は、Appl. Phys. Lett., Vol. 89, p232502に記載されているスピントランジスタに実施例１または２に係るトンネル磁気抵抗素子を適用した例である。図９は、実施例３に係るスピントランジスタの断面模式図である。図９を参照し、コレクタ層６０上にベース層６２、ベース層６２上に絶縁膜６４を挟みエミッタ層６６が形成されている。コレクタ層６０は第１導電型（例えば、ｎ型）の半導体層である。ベース層６２は、実施例１または２の強磁性半導体膜１０を含む。ベース層６２全体が強磁性半導体膜でもよいが、例えば、ベース層６２の絶縁膜６４側が強磁性半導体膜であり、コレクタ層６０側は非磁性半導体膜でもよい。ベース層６２の少なくとも一部の層は第１導電型と反対の第２導電型（ｐ型）の半導体層である。絶縁膜６４は、実施例１または実施例２の絶縁膜２０である。エミッタ層６６は、実施例１または実施例２の強磁性金属膜３０を含む。エミッタ層６６全体が強磁性金属膜でもよいが、例えば、エミッタ層６６の絶縁膜６４側が強磁性金属膜であり、他方側は非磁性金属膜でもよい。 Example 3 is an example of a spin transistor using the tunnel magnetoresistive element according to Example 1 or 2. Example 3 is an example in which the tunnel magnetoresistive element according to Example 1 or 2 is applied to the spin transistor described in Appl. Phys. Lett., Vol. 89, p232502. FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the spin transistor according to the third embodiment. Referring to FIG. 9, base layer 62 is formed on collector layer 60, and emitter layer 66 is formed on base layer 62 with insulating film 64 interposed therebetween. The collector layer 60 is a first conductivity type (for example, n-type) semiconductor layer. The base layer 62 includes the ferromagnetic semiconductor film 10 of Example 1 or 2. Although the entire base layer 62 may be a ferromagnetic semiconductor film, for example, the insulating film 64 side of the base layer 62 may be a ferromagnetic semiconductor film, and the collector layer 60 side may be a nonmagnetic semiconductor film. At least a part of the base layer 62 is a semiconductor layer of a second conductivity type (p-type) opposite to the first conductivity type. The insulating film 64 is the insulating film 20 of Example 1 or Example 2. The emitter layer 66 includes the ferromagnetic metal film 30 of Example 1 or Example 2. The entire emitter layer 66 may be a ferromagnetic metal film. For example, the insulating layer 64 side of the emitter layer 66 may be a ferromagnetic metal film, and the other side may be a nonmagnetic metal film.

実施例３では、エミッタ層６６の強磁性金属膜からベース層６２の強磁性半導体膜に、スピン偏極された少数キャリアが注入される。強磁性金属膜と強磁性半導体膜とが平行磁化または反平行磁化かにより、強磁性金属膜と強磁性半導体膜との間の抵抗を変化させることができる。以上のように、実施例１または実施例２をスピントランジスタに用いることにより、効率的なスピン注入が可能となる。なお、実施例３以外の構造のスピントランジスタに実施例１または２を用いることもできる。 In the third embodiment, spin-polarized minority carriers are injected from the ferromagnetic metal film of the emitter layer 66 into the ferromagnetic semiconductor film of the base layer 62. The resistance between the ferromagnetic metal film and the ferromagnetic semiconductor film can be changed depending on whether the ferromagnetic metal film and the ferromagnetic semiconductor film are parallel magnetization or antiparallel magnetization. As described above, efficient spin injection is possible by using Example 1 or Example 2 for a spin transistor. In addition, Example 1 or 2 can also be used for a spin transistor having a structure other than Example 3.

以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.

１０強磁性半導体膜
２０絶縁膜
３０強磁性金属膜
５２緩衝膜
６０コレクタ層
６２ベース層
６４絶縁膜
６６エミッタ層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Ferromagnetic semiconductor film 20 Insulating film 30 Ferromagnetic metal film 52 Buffer film 60 Collector layer 62 Base layer 64 Insulating film 66 Emitter layer

Claims

A ferromagnetic semiconductor film containing InAs;
A ferromagnetic metal film;
An insulating film provided between the ferromagnetic semiconductor film and the ferromagnetic metal film;
A tunnel magnetoresistive element comprising:

2. The tunnel magnetoresistive element according to claim 1, wherein a reverse breakdown voltage between the ferromagnetic semiconductor film and the ferromagnetic metal film is larger than a voltage corresponding to an energy band gap of the ferromagnetic semiconductor.

3. The tunnel magnetoresistive element according to claim 1, wherein the insulating film has a thickness such that carriers can be tunnel-injected from the ferromagnetic metal film to the ferromagnetic semiconductor film.

4. The tunnel magnetoresistive element according to claim 1, wherein a height of the barrier of the insulating film is larger than an energy band gap of the ferromagnetic semiconductor film. 5.

5. The tunnel magnetoresistive element according to claim 1, wherein the ferromagnetic semiconductor film contains InAs and an arsenic magnetic element.

The tunnel magnetoresistive element according to any one of claims 1 to 5, wherein a dopant is added to the ferromagnetic semiconductor film.

Comprising a nonmagnetic semiconductor layer to which a dopant is added on the opposite side of the ferromagnetic semiconductor film to the insulating film;
The tunnel magnetoresistive element according to claim 1, wherein the ferromagnetic semiconductor film is non-doped.

A spin transistor having the tunnel magnetoresistive element according to claim 1.

A collector layer;
A base layer formed on the collector layer and including a ferromagnetic semiconductor film;
An emitter layer including a ferromagnetic semiconductor film including InAs;
An insulating film provided between the ferromagnetic semiconductor film and the ferromagnetic metal film;
A spin transistor comprising: