JP2011222546A - スピン伝導素子 - Google Patents

Abstract

【課題】外部磁場がチャンネルに侵入することに起因するノイズやエラーを抑制することが可能なスピン伝導素子を提供すること。
【解決手段】スピン伝導素子１は、第一強磁性体１２Ａと、第二強磁性体１２Ｂと、第一強磁性体１２Ａから第二強磁性体１２Ｂまで延びるチャンネル７と、チャンネル７を覆う磁気シールドＳ１と、チャンネル７と磁気シールドＳ１との間に設けられた絶縁膜と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、スピン伝導素子に関する。

スピン伝導素子は、例えばＨＤＤヘッド、磁気センサー、ＭＲＡＭなどの各種製品に応用されている。スピン伝導素子には、電流に付随したスピン流を用いるものと、スピン流のみを用いるものが知られている。スピン流を利用した素子として、非磁性導電体上に、この非磁性導電体のスピン拡散長よりも短い間隔を置いて２つの強磁性体を配置されたものが知られている（例えば下記特許文献１を参照）。また、非磁性導電体内を比較的長い距離にわたって伝導するスピンを用いるデバイスとして、例えばスピンＭＯＳ−ＦＥＴが知られている（例えば、下記特許文献２を参照）。

特許第３８１８２７６号公報 特許第４１４３６４４号公報

ところで、上述したような非磁性導電体内を比較的長い距離にわたって伝導するスピンを用いるデバイスにおいて、外部磁場に起因してスピンが回転するという現象が知られている（いわゆるＨａｎｌｅ効果）。特に、スピン寿命が比較的長い半導体チャンネルを伝導したスピンでは、非常に弱い外部磁場の影響であってもスピンが回転する。従って、強磁性体電極の磁化情報を保持するスピンが半導体チャンネルを伝導する際に回転してしまい、正確にこの磁化情報が伝達できない、あるいはノイズの原因になるといった問題があった。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、チャンネルに侵入する外部磁場に起因するノイズやエラーを抑制することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明のスピン伝導素子は、第一強磁性体と、第二強磁性体と、第一強磁性体から第二強磁性体まで延びるチャンネルと、チャンネルを覆う磁気シールドと、チャンネルと磁気シールドとの間に設けられた絶縁膜と、を備えることを特徴とする。

上述の第一強磁性体及び第二強磁性体の一方は、チャンネルへスピンを注入するための注入電極として機能し、他方は、チャンネルからスピンを受け取るための受け取り電極として機能する。チャンネルは、第一強磁性体または第二強磁性体から注入されるスピンが伝導する部分として機能する。チャンネル内を伝導するスピンは、第一強磁性体及び第二強磁性体の一方の磁化情報を保持する。このスピン伝導素子では、チャンネルが絶縁膜を介して磁気シールドに覆われている。このため、チャンネルに外部磁場が侵入する場合に、チャンネル内を伝導するスピンが外部磁場の影響によって回転することを抑制できる。よって、チャンネル内においてスピンが保持する磁化情報を正確に伝達することができる。したがって、チャンネルに外部磁場が侵入することに起因するノイズやエラーを抑制できる。

ここで、磁気シールドは、第一強磁性体の磁化の向き及び第二強磁性体の磁化の向きと平行なチャンネルにおける面を覆うことが好ましい。

この構成により、チャンネル内を伝導するスピンが外部磁場によって回転することを効率よく抑えることができる。

また、磁気シールドの材料は、Ｎｉ、Ｆｅ、及びＣｏからなる群から選択される１以上の元素を含む軟磁性材料であることが好ましい。

これらの軟磁性材料を用いることにより、チャンネルに侵入する外部磁場を充分に遮蔽することができる。

また、第一強磁性体及び第二強磁性体の材料は下記（１）〜（３）のいずれかであることが好ましい。
（１）Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群から選択される金属
（２）Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群の元素を１以上含む合金
（３）Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群から選択される１以上の元素と、Ｂ、Ｃ、及びＮからなる群から選択される１以上の元素と、を含む化合物

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、スピンの注入電極又はスピンの受け取り電極としての機能を好適に実現することが可能である。

また、チャンネルの材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃ、及びＺｎＯからなる群から選択される１以上の半導体を含む材料であることが好ましい。

これらの材料はスピン拡散長が比較的長いため、チャンネル内にスピンを好適に伝達、蓄積できる。

また、第一強磁性体及び第二強磁性体の少なくとも一方とチャンネルとの間に、障壁層が形成されていることが好ましい。

これにより、第一強磁性体及び第二強磁性体の少なくとも一方からチャンネルへスピン偏極した電子を多く注入することが可能となり、スピン伝導素子の出力を高めることが可能となる。

また、障壁層の材料は、Ｍｇ及びＡｌのうちの少なくとも一方を含む酸化物材料であることが好ましい。これらの材料により、第一強磁性体及び前記第二強磁性体の少なくとも一方からチャンネルへ注入されるスピンの注入効率を好適に向上できる。

また、第一強磁性体及び前記第二強磁性体の少なくとも一方の磁化方向は、反強磁性体及び形状異方性のうち少なくとも１つによって、固定されていることが好ましい。

反強磁性体が、第一強磁性体及び第二強磁性体の少なくとも一方と交換結合することにより、第一強磁性体及び第二強磁性体の少なくとも一方の磁化方向に、一方向異方性を付与することが可能となる。この場合、反強磁性体を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する第一強磁性体や第二強磁性体を得られる。また、形状異方性によって磁化を固定する場合、保磁力差をつけるための反強磁性体を省略することが可能となる。

また、第一強磁性体の保磁力は、第二強磁性体の保磁力と異なることが好ましい。この構成により、第一強磁性体及び第二強磁性体の一方を磁化固定層として機能させ、他方を磁化自由層として機能させることができ、スピン伝導素子を磁気センサーなどとして好適に用いることができる。

本発明によれば、チャンネルに侵入する外部磁場に起因するノイズやエラーを抑制することが可能なスピン伝導素子を提供することができる。

図１は、スピン伝導素子の上面図である。 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。 図４は、Ｈａｎｌｅ効果を説明するための斜視図である。 図５は、スピン伝導素子の近傍を流れる電流によって、スピン伝導素子に磁場が侵入する例を示す上面図である。 図６は、図３の変形例を示す断面図である。 図７は、スピン伝導素子の変形例を示す上面図である。 図８は、実施例１及び比較例１でバイアス電圧を印加しない場合における磁場と抵抗との関係を示すグラフである。 図９は、実施例１及び比較例１でバイアス電圧を印加する場合における磁場と抵抗との関係を示すグラフである。 図１０は、実施例２及び比較例２における磁場と抵抗との関係を示すグラフである。 図１１は、Ｘ軸方向の磁場と抵抗との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明に係るスピン伝導素子の好適な実施形態について詳細に説明する。図中には、ＸＹＺ直交座標軸系Ｓが示されている。図１は、第一実施形態に係るスピン伝導素子の上面図である。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。

図２に示すように、スピン伝導素子１は、チャンネル層７、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、絶縁膜７０、及び磁気シールドＳ１を主として備える。チャンネル層７は、スピンを拡散、蓄積する部分であり、第一強磁性層１２Ａから第二強磁性層１２Ｂまで延びている。図１に示すように、チャンネル層７は、チャンネル層７の厚み方向から見て矩形状をなしている。チャンネル層７には導電性を付与するためのイオン、例えばＰイオンあるいはＳｂイオン、が添加されている。イオン濃度は、例えば１．０×１０^１５〜１．０×１０^２２ｃｍ^−３である。チャンネル層７の材料は例えばＳｉである。また、チャンネル層７における第一強磁性層１２Ａから第二強磁性層１２Ｂまでの距離は、チャンネル層７のスピン拡散長以下となっている。

第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂは、チャンネル層７へスピンを注入するための注入電極、あるいはチャンネル層７を伝導してきたスピンを検出するための受け取り電極として機能する部分である。第一強磁性層１２Ａは、チャンネル層７の第一領域７１上に設けられている。第二強磁性層１２Ｂは、チャンネル層７の第二領域７２上に設けられている。

第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂは、Ｘ軸方向を長軸としＹ軸方向を短軸とした直方体形状をそれぞれ有している。第一強磁性層１２Ａの保磁力と第二強磁性層１２Ｂの保磁力は互いに異なる。本実施形態では、第一強磁性層１２ＡのＸ軸方向における幅は、第二強磁性層１２ＢのＸ軸方向における幅と同一となっている一方、第一強磁性層１２ＡのＹ軸方向における幅は、第二強磁性層１２ＢのＹ軸方向における幅よりも小さくなっている。このような形状異方性により、第一強磁性層１２Ａの保磁力は、第二強磁性層１２Ｂの保磁力よりも大きくなっている。図１及び図２に示すように、第一強磁性層１２Ａの磁化方向Ｇ１は、第二強磁性層１２Ｂの磁化方向Ｇ２と平行、すなわち同一となっている。

第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂは、強磁性材料からなり、例えば、下記（１）〜（３）のいずれかである。
（１）Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群から選択される金属
（２）Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群の元素を１以上含む合金
（３）Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群から選択される１以上の元素と、Ｂ、Ｃ、及びＮからなる群から選択される１以上の元素とを含む化合物

磁気シールドＳ１は、外部磁場がチャンネル層７へ侵入することを遮蔽する膜である。このため、磁気シールドＳ１は、絶縁膜（例えば絶縁膜７ａ，７ｂ）を間に介して、チャンネル層７の表面を少なくとも部分的に覆っている。つまり磁気シールドＳ１は、第一領域７１と第二領域７２との間に存在するチャンネル層７の領域における上面、側面、及び下面のうち少なくとも一つの面を覆っている。磁気シールドＳ１は、チャンネル層７、第一強磁性層１２Ａ、及び第二強磁性層１２Ｂに直接触れないように、絶縁膜７０あるいは空気層などを間に介して形成されている。

また、磁気シールドＳ１はチャンネル層７における、第一強磁性層１２Ａの磁化の向きＧ１及び第二強磁性層１２Ｂの磁化の向きＧ２と平行な面（図１及び図２に示す例ではＸＹ面）を覆うことが好ましく、この構成により、チャンネル層７内を伝導するスピンが外部磁場によって回転することを効率よく抑えることができる。

磁気シールドＳ１の材料は、例えばＮｉ、Ｆｅ、及びＣｏからなる群から選択される１以上の元素を含む軟磁性材料であり、具体的には、Ｎｉ及びＦｅを含む合金、センダスト、Ｆｅ及びＣｏを含む合金、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉを含む合金等の軟磁性材料である。また、磁気シールドＳ１の膜厚は、例えば１０ｎｍ〜１００ｎｍである。

スピン伝導素子１は、更に、第一参照電極２０Ａと第二参照電極２０Ｂとを備えている。第一参照電極２０Ａ及び第二参照電極２０Ｂは、チャンネル層７の第三領域７３及び第四領域７４上にそれぞれ設けられている。第一参照電極２０Ａ及び第二参照電極２０Ｂは、導電性材料からなり、例えばＡｌなどのＳｉに対して低抵抗な非磁性金属からなる。

第一参照電極２０Ａと第一強磁性層１２Ａとの距離は、チャンネル層７における電子がスピンを保持できるスピン拡散長よりも長くなっている。また、第二参照電極２０Ｂと第二強磁性層１２Ｂとの距離は、チャンネル層７におけるスピン拡散長よりも長くなっている。この構成により、第一参照電極２０Ａ及び第二参照電極２０Ｂにスピンが吸収され、出力が下がることを抑制できる。なお、例えばチャンネル層７がＳｉである場合、スピン拡散長はおよそ２.５μｍである。

図２に示すように、チャンネル層７における第三領域７３と第四領域７４との間に、第一領域７１及び第二領域７２が存在している。第一参照電極２０Ａ、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、及び第二参照電極２０Ｂは、チャンネル層７のこれら第三領域７３、第一領域７１、第二領域７２、及び第四領域７４上に、Ｘ軸方向に所定の間隔を置いてこの順に配置されている。また、チャンネル層７は、第一強磁性層１２Ａから第二強磁性層１２Ｂまで延びる方向とは異なる方向に、第一強磁性層１２Ａから第一参照電極２０Ａまで延びており、チャンネル層７は、第二強磁性層１２Ｂから第一強磁性層１２Ａまで延びる方向とは異なる方向に、第二強磁性層１２Ｂから第二参照電極２０Ｂまで延びている。

スピン伝導素子１は、更に、障壁層８１Ａ，８１Ｂを備えている。障壁層８１Ａ，８１Ｂは、チャンネル層７と、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの少なくとも一方との間に設けられている。これにより、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの少なくとも一方からチャンネル層７へスピン偏極した電子を多く注入することが可能となり、スピン伝導素子の電位出力を高めることが可能となる。障壁層８１Ａ，８１Ｂは、例えば絶縁性材料の膜からなるトンネル障壁である。図２では、障壁層８１Ａ，８１Ｂが単層からなる例を示すが、障壁層８１Ａ，８１Ｂは複数の層からなる積層構造を有していてもよい。このような構成により、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの磁性材料が、チャンネル層７へ拡散することを抑制できる。また、障壁層８１Ａ，８１Ｂとチャンネル層７との界面におけるスピンの散乱や蓄積を調整することができる。

障壁層８１Ａ，８１Ｂの材料は、Ｍｇ及びＡｌのうちの少なくとも一方を含む酸化物材料である。これらの材料により、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの少なくとも一方からチャンネルへ注入されるスピンの注入効率を好適に向上できる。障壁層８１Ａ，８１Ｂの具体的な材料は、例えばＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４などである。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、障壁層８１Ａ，８１Ｂの膜厚は、３ｎｍ以下であることが好ましい。また、障壁層８１Ａ，８１Ｂ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。

スピン伝導素子１は、絶縁膜（あるいは絶縁体）７０を更に備えている。絶縁膜７０は、チャンネル層７の露出を防ぎ、チャンネル層７を電気的及び磁気的に絶縁する機能を有する。絶縁膜７０は、磁気シールドＳ１とチャンネル層７との間に設けられているので、チャンネル層７を流れるスピン流が磁気シールドＳ１へ流出することが抑制される。絶縁膜７０は、下部絶縁膜７ａ及び上部絶縁膜７ｂを含む。図２に示すように、下部絶縁膜７ａはチャンネル層７の下面に設けられており、上部絶縁膜７ｂはチャンネル層７の上面に設けられている。また、図３に示すように、絶縁膜７０の外側面は磁気シールドＳ１に接しており、絶縁膜７０の内側面はチャンネル層７に接している。このように絶縁膜７０は、チャンネル層７の表面（例えば下面、側面、または上面）の必要な領域を覆っている。さらに、この上部絶縁膜７ｂ上に、第一参照電極２０Ａ、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、及び第二参照電極２０Ｂに接続する配線を設けることにより、この配線によってチャンネル層７のスピンが吸収されることを抑制できる。また、上部絶縁膜７ｂ上に配線を設けることにより、配線からチャンネル層７へ電流が流れることを抑制できる。

以下、スピン伝導素子１の動作について、図２を用いて説明する。まず、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの磁化方向を固定する。図２に示す例では、第一強磁性層１２Ａの磁化方向Ｇ１が、第二強磁性層１２Ｂの磁化方向Ｇ２と同一方向（Ｘ軸方向）である。第一強磁性層１２Ａ及び第一参照電極２０Ａを電流源９０に接続することにより、第一強磁性層１２Ａに検出用電流を流す。強磁性体である第一強磁性層１２Ａから、障壁層８１Ａを介して、非磁性体のチャンネル層７へ電流が流れることにより、第一強磁性層１２Ａの磁化の向きＧ１に対応する向きのスピンを有する電子がチャンネル層７へ注入される。注入されたスピンは第二強磁性層１２Ｂ側へ拡散していく。このように、チャンネル層７に流れる電流及びスピン流が、主にＹ軸方向に流れる構造とすることができる。このような構成において、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの磁化方向と逆方向（例えば図２に示す−Ｘ軸方向）に磁場を印加する。この際、磁場の強さを＋から−に変化させると、保磁力の小さい第二強磁性層１２Ｂにおける磁化が反転する。さらに、磁場の強さを−から＋に変化させれば、保磁力の小さい第二強磁性層１２Ｂにおける磁化がさらに反転する。この磁化反転に伴う出力は、第二強磁性層１２Ｂ及び第二参照電極２０Ｂに接続された出力測定器８０により測定することができる。以上のようにして、スピン伝導素子１を例えば磁気センサーとして利用することができる。

補足として、スピン伝導素子のチャンネル層７に外部磁場が侵入する場合について説明する。上述したように、強磁性体である第一強磁性層１２Ａから非磁性体のチャンネル層７へ電流が流れることにより、図４に示すような第一強磁性層１２Ａの磁化の向きＧ１に対応する向きのスピンＰ１を有する電子がチャンネル層７へ注入される。ここで、チャンネル層７に外部磁場Ｈ０が（この例ではＺ軸方向から）侵入すると、チャンネル層７内の電子のスピンはこの外部磁場Ｈ０の影響により回転してしまう。よってチャンネル層７内では、第一強磁性層１２Ａの磁化の向きＧ１とは異なる方向を向いたスピンＰ２を有する電子が第二強磁性層１２Ｂ側へ伝導していくこととなる。このような外部磁場の発生について、図５に例を示す。まず、スピン伝導素子１の近隣に他のスピン伝導素子２が配置される場合、スピン伝導素子２に電流Ｎ１が流れることにより、スピン伝導素子１のチャンネル層７に外部磁場Ｈ１が侵入することとなる。あるいは、スピン伝導素子１の近隣に導電層３が配置される場合、導電層３に電流Ｎ２が流れることにより、チャンネル層７に外部磁場Ｈ２が侵入することとなる。このように、周辺の回路内に流れる電流により磁界が形成され、チャンネル層７内を伝導するスピン流は、この外部磁場の影響によって回転する。

以下、本実施形態に係るスピン伝導素子１の効果を説明する。上述の第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの一方は、チャンネル層７へスピンを注入するための注入電極として機能し、他方は、チャンネル層７からスピンを受け取るための受け取り電極として機能する。チャンネル層７は、第一強磁性層１２Ａまたは第二強磁性層１２Ｂから注入されるスピンが伝導する部分として機能する。ここで、チャンネル層７内を伝導するスピンは、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの一方の磁化情報を保持する。本実施形態に係るスピン伝導素子１では、チャンネル層７が絶縁膜７０を介して磁気シールドＳ１に覆われている。このため、外部磁場がチャンネル層７に侵入する場合に、チャンネル層７内を伝導するスピンが外部磁場の影響によって回転することを抑制できる。よって、チャンネル層７内を伝導するスピンの保持する磁化情報が正確に伝達され、チャンネルに外部磁場が侵入することに起因するノイズやエラーを抑制できる。このようなスピン伝導素子１は例えば磁気センサー、磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ）、スピン流回路、核スピンメモリ、量子コンピュータなどに利用することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。以下に変形例を示すが、これらの変形例のいずれにおいても上述と同様に、チャンネルに外部磁場が侵入することに起因するノイズやエラーを抑制できる。まず、図６に図３の変形例を示す。図６に示す断面構造が図３に示す断面構造と異なるのは、絶縁膜７０及び磁気シールドＳ１の一部がチャンネル層７内に埋め込まれている点である。すなわち、チャンネル層７における第一領域７１及び第二領域７２との間の領域において、スピンが伝導する領域を囲うように形成された溝部に、絶縁膜７０（７ａ，７ｂ）、磁気シールドＳ１、絶縁膜７０（７ｄ）が内側から外側に向かって順に埋め込まれた構造としてもよい。

また、第一参照電極２０Ａ及び第二参照電極２０Ｂは必ずしも必要ではなく、省略してもよい。図７に、変形例として、このようなスピン伝導素子１０の上面図を示す。この場合、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂに電流源を接続して電流を流し、チャンネル層７にスピンを注入することができる。

また、チャンネル層７に用いられるスピン寿命の長い材料として、例えばＳｉやＧａＡｓなどが挙げられるが、特にＳｉが好ましい。ただし、チャンネル層７の材料はＳｉに限られず、スピン寿命の長い材料であることが好ましく、例えば、チャンネルの材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃ、及びＺｎＯからなる群から選択される１以上の半導体を含む材料とすることができる。

また、チャンネル層７の厚み方向から見た形状は矩形状に限られず、例えば屈曲形状でもよい。また、チャンネル層７の上面上において、第一参照電極２０Ａ及び第二参照電極２０Ｂと、障壁層８１Ａ，８１Ｂを介して第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂとが突出するように形成された例を示したが、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、第一参照電極２０Ａ及び第二参照電極２０Ｂのうち少なくとも１つは、チャンネル層７内に埋設されていてもよい。

また、障壁層８１Ａ，８１Ｂが、絶縁膜からなるトンネル障壁である例を示した。しかし、障壁層８１Ａ，８１Ｂは、金属膜からなるトンネル障壁であってもよく、この場合、半導体のチャンネル層７と金属の障壁層８１Ａ，８１Ｂとのショットキー障壁とすることができる。

また、上記では第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂが形状異方性により互いに異なる保磁力を有する例を示したが、これに限定されない。例えば、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの形状を同一として同じ保磁力を有する構成において、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの少なくとも一方の磁化方向が、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの少なくとも一方上に設けられた反強磁性層（反強磁性体）によって、固定されていてもよい。この場合、反強磁性層（反強磁性体）を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する第一強磁性層１２Ａあるいは第二強磁性層１２Ｂが得られる。あるいは、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂに形状異方性を持たせて保磁力を互いに異ならせた構成において、更に反強磁性層（反強磁性体）を用いてもよい。

また、電流源９０と出力測定器８０の配置を交換してもよく、この場合、第一強磁性層１２Ａが受け取り電極として機能し、第二強磁性層１２Ｂが注入電極として機能する。

また、上記では、チャンネル層７、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、及び磁気シールドＳ１が、いわゆる「層」である例を用いて説明したが、本発明はこれに限定されない。チャンネル層７、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、及び磁気シールドＳ１の各々は、上述のスピン伝導素子の構成物として使用できるものであれば、種々の形態のチャンネル、第一強磁性体、第二強磁性体、及び磁気シールドとすることができる。この場合、チャンネル、第一強磁性体、第二強磁性体、及び磁気シールドの各々は、例えば、球体状、円柱形状などの形態とすることができる。

以下、実施例及び比較例を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
まず、Ｓｉ基板を準備した。次いで、洗浄により、Ｓｉ基板の表面上の不純物、酸化物、有機物などを除去した。洗浄液として、希釈したＨＦ溶液を用いた。その後、Ｓｉ基板の表面に導電性を付与するためのイオンの打ち込みを行った。なお、電子濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３となるようにした。

続いて、ＭＢＥ法によって、Ｓｉ基板の表面上に障壁層８１Ａ，８１Ｂとなる障壁膜を成膜した。その後、チャンネル層７となる部分に略矩形状のマスクを形成し、Ｓｉ基板に反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行い、島状のチャンネル層７を得た。エッチング後、不要なマスクを除去した。

ついで、電子線（ＥＢ）リソグラフィによって、チャンネル層７上に、強磁性層となる強磁性膜を障壁膜を間に介して形成した。この強磁性膜及び障壁膜の不要な部分をイオンミリングすることにより、チャンネル層７の第一領域上に障壁層８１Ａを介して第一強磁性層１２Ａを形成するとともに、チャンネル層７の第二領域上に障壁層８１Ｂを介して第二強磁性層１２Ｂを形成した。ここでは、第一強磁性層１２Ａの保磁力が第二強磁性層１２Ｂの保磁力よりも大きくなるようにした。

次いで、不要な障壁膜や強磁性膜が除去されたチャンネル層７の表面に絶縁膜となるシリコン酸化膜を形成した。さらに、チャンネル層７の第三領域７３及び第四領域７４上の絶縁膜を除去し、その除去部分に第一参照電極２０Ａ及び第二参照電極２０Ｂをそれぞれ形成した。第一参照電極２０Ａ及び第二参照電極２０Ｂは、チャンネル層７であるＳｉ膜に対して低抵抗なＡｌ膜で形成した。

また、チャンネル層７における第一領域７１と第二領域７２との間に存在する領域の表面上に、絶縁膜を介して磁気シールドＳ１をＩＢＤ（イオンビーム成膜）法により形成した。この際、磁気シールドＳ１がチャンネル層７、第一強磁性層１２Ａ、及び第二強磁性層１２Ｂに直接触れないように形成した。さらに、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、第一参照電極２０Ａ、及び第二参照電極２０Ｂのそれぞれに配線を形成した。この際、各配線が磁気シールドＳ１に直接触れないように、各配線と磁気シールドＳ１との間に絶縁膜を形成した。以上の方法により、図１〜図３に示すようなスピン伝導素子１を作製した。

（実施例２）
実施例２では、実施例１のスピン伝導素子１において第一参照電極２０Ａ及び第二参照電極２０Ｂを設けないこと以外は同じ構成とし、図７に示すようなスピン伝導素子１０を作製した。

（比較例１）
比較例１では、実施例１のスピン伝導素子１において磁気シールドＳ１を設けない代わりに、チャンネル層を覆うＡｌからなる金属層を設けたこと以外は同じ構成としてスピン伝導素子を作製した。

（比較例２）
比較例２では、実施例２のスピン伝導素子１において磁気シールドＳ１を設けないこと以外は同じ構成としてスピン伝導素子を作製した。

（評価結果）
実施例１および比較例１で作製したスピン伝導素子１において、第一強磁性層１２Ａと第一参照電極２０Ａに電流源を接続し、第二強磁性層１２Ｂと第二参照電極２０Ｂに出力測定器を接続した。ここで、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの磁化方向は、同一方向（図１や図２に示すＸ軸方向）に固定されている。このような構成において、まず、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの磁化方向と逆向き（図１や図２に示す−Ｘ軸方向）の磁場を印加する。そして、図１１のＲ１で示すように、このＸ軸方向の磁場の強さを＋８００（Ｏｅ）から−８００（Ｏｅ）に変化させ、その後、図１１のＲ２で示すように、このＸ軸方向の磁場の強さを−８００（Ｏｅ）から＋８００（Ｏｅ）まで変化させることを繰り返すことにより、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの磁化が反転するのに必要な磁場の大きさの違いによるヒステリシス出力が、第一強磁性層１２Ａと第二強磁性層１２Ｂとの間に得られることを確認した。

その後、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの磁化方向に平行で、かつ反転磁場よりも大きな磁場を印加することにより、再び第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの磁化方向を（図１や図２に示すＸ軸方向に）揃えた。続いて、チャンネル層７の厚み方向（図１や図２に示す−Ｚ軸方向）からチャンネル層７に外部磁場Ｈを印加した。この際、Ｚ軸方向からの外部磁場Ｈの強さを＋１．０（Ｏｅ）から−１．０（Ｏｅ）に変化させて、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂとの間に得られる抵抗出力の変化を観察した。この際、磁気シールドＳ１にはバイアス電圧を印加していない。

図８に、磁場と抵抗の測定関係を示す。図８の横軸はチャンネル層７に印加される−Ｚ軸方向からの外部磁場Ｈに対応し、縦軸の抵抗は上述の出力測定器により測定した。図８に示すＱ１は実施例１のスピン伝導素子１の測定結果に対応し、Ｑ２は比較例１のスピン伝導素子の測定結果に対応する。実施例１のスピン伝導素子１は磁気シールドＳ１が設けられているので、磁気シールドの設けられていない比較例１のスピン伝導素子と比較して、チャンネル層に印加される外部磁場Ｈに起因する抵抗の増減が少ないことがわかる。このような実施例１のスピン伝導素子１ではチャンネル層７を覆う磁気シールドＳ１が設けられていることにより、チャンネル層７に侵入する外部磁場Ｈに起因するノイズやエラーが抑制される。

また、実施例１のスピン伝導素子１において、さらに磁気シールドＳ１にバイアス電圧を５０Ｖ印加し、比較例１のスピン伝導素子において、さらにチャンネル層を覆う金属層にバイアス電圧を５０Ｖ印加した場合の磁場と抵抗の測定関係を図９に示す。この際、Ｚ軸方向の外部磁場Ｈの強さを＋５．０（Ｏｅ）から−５．０（Ｏｅ）に変化させて、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂとの間に得られる抵抗出力の変化を観察した。図９の横軸はチャンネル層７に印加される−Ｚ軸方向からの外部磁場Ｈに対応し、縦軸の抵抗は上述の出力測定器により測定した。図９に示すＱ３は実施例１のスピン伝導素子１の測定結果に対応し、Ｑ４は比較例１のスピン伝導素子の測定結果に対応する。この場合も、実施例１のスピン伝導素子１では磁気シールドＳ１が設けられているので、磁気シールドの設けられていない比較例１のスピン伝導素子と比較して、チャンネル層に印加される外部磁場Ｈに起因する抵抗の増減が少ないことがわかる。さらに、図８および図９を比較すると、図８のようにバイアス電圧が０Ｖである場合よりも、図９のようにバイアス電圧が５０Ｖである場合の方が、抵抗値が低いことがわかる。

また、実施例２および比較例２で作製したスピン伝導素子では、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂに電流源を接続して電流を流したこと以外は実施例および比較例１と同様の手法により、磁場と抵抗の関係を評価した。この際、Ｚ軸方向の外部磁場Ｈの強さを＋１０．０（Ｏｅ）から−１０．０（Ｏｅ）に変化させて、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂとの間に得られる抵抗出力の変化を観察した。その評価結果を図１０に示す。図１０の横軸はチャンネル層７に印加される−Ｚ軸方向からの外部磁場Ｈに対応し、縦軸の抵抗は第一強磁性層１２Ａと第二強磁性層１２Ｂとに接続した出力測定器により測定した。図１０に示すＱ５は実施例２のスピン伝導素子１０の測定結果に対応し、Ｑ６は比較例２のスピン伝導素子の測定結果に対応する。この場合も同様に、実施例２のスピン伝導素子１０では磁気シールドＳ１が設けられているので、磁気シールドの設けられていない比較例２のスピン伝導素子と比較して、チャンネル層に印加される外部磁場Ｈに起因する抵抗の増減が少ないことがわかる。このような実施例２のスピン伝導素子１０ではチャンネル層７を覆う磁気シールドＳ１が設けられていることにより、チャンネル層に侵入する外部磁場に起因するノイズやエラーが抑制される。

１，１０…スピン伝導素子、７…チャンネル層、１２Ａ…第一強磁性層、１２Ｂ…第二強磁性層、２０Ａ…第一参照電極、２０Ｂ…第二参照電極、７０（７ａ，７ｂ，７ｄ）…絶縁膜、８１Ａ，８１Ｂ…障壁層、Ｓ１…磁気シールド。

Claims (9)

1. 第一強磁性体と、
   第二強磁性体と、
   前記第一強磁性体から前記第二強磁性体まで延びるチャンネルと、
   前記チャンネルを覆う磁気シールドと、
   前記チャンネルと前記磁気シールドとの間に設けられた絶縁膜と、を備えるスピン伝導素子。
2. 前記磁気シールドは、前記第一強磁性体の磁化の向き及び前記第二強磁性体の磁化の向きと平行な前記チャンネルにおける面を覆う請求項１に記載のスピン伝導素子。
3. 前記磁気シールドの材料は、Ｎｉ、Ｆｅ、及びＣｏからなる群から選択される１以上の元素を含む軟磁性材料である請求項１または請求項２に記載のスピン伝導素子。
4. 前記第一強磁性体及び前記第二強磁性体の材料は下記（１）〜（３）のいずれかである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
   （１）Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群から選択される金属
   （２）Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群の元素を１以上含む合金
   （３）Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群から選択される１以上の元素と、Ｂ、Ｃ、及びＮからなる群から選択される１以上の元素と、を含む化合物
5. 前記チャンネルの材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃ、及びＺｎＯからなる群から選択される１以上の半導体を含む材料である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
6. 前記第一強磁性体及び前記第二強磁性体の少なくとも一方と、前記チャンネルとの間に、障壁層が形成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
7. 前記障壁層の材料は、Ｍｇ及びＡｌのうちの少なくとも一方を含む酸化物材料である、請求項６に記載のスピン伝導素子。
8. 前記第一強磁性体及び前記第二強磁性体の少なくとも一方の磁化方向は、反強磁性体及び形状異方性のうち少なくとも１つによって、固定されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
9. 前記第一強磁性体の保磁力は、前記第二強磁性体の保磁力と異なる請求項１〜８のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。

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