JP2012199496A - Spin conduction element and magnetic head - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spin conduction element with improved spin injection efficiency, and a magnetic head.SOLUTION: The inventors have found a new magnetic sensor 1 which comprises a channel layer 10 constituted of Si, ferromagnetic layers 20A and 20B formed on the channel layer 10, and tunnel layers 22A and 22B formed so as to be interposed between the channel layer 10 and the ferromagnetic layers 20A and 20B, and for which the tunnel layers 22A and 22B are constituted of an alkali earth oxide of NaCl structure (BaO, for instance) and a part of alkali earth ions (Ba ions, for instance) of the alkali earth oxide is replaced with a different kind of alkali earth ions (Mg ions, for instance).

Description

本発明は、スピン伝導素子及び磁気ヘッドに関する。   The present invention relates to a spin transport element and a magnetic head.

最近、半導体におけるスピン伝導の現象が多くの注目を集めている。特にシリコンは現在の主な半導体製品の中心となる材料であり、シリコンベースのスピントロニクスが実現できれば、既存技術を捨てることなく、シリコンデバイスに新しい機能を付加することができる。   Recently, the phenomenon of spin conduction in semiconductors has attracted much attention. In particular, silicon is a material that is the center of today's main semiconductor products. If silicon-based spintronics can be realized, new functions can be added to silicon devices without abandoning existing technologies.

例えば、下記特許文献1に開示されているspin−MOSFETが挙げられる。最近になって、下記非特許文献1において、シリコンにおける室温でのスピン伝導現象も証明されており、応用に向けた動きが始まっている。最近まで室温におけるスピン伝導現象が観測されなかった理由の一つが、シリコンへのスピン注入効率の温度依存性が温度の上昇と共に急激に減少することが原因の一つであった(下記非特許文献2、3参照)。さらに、応用化に向けて必要な出力の課題がある。下記特許文献1〜7で示されているように、スピン蓄積・伝導によって生じる電圧は仮に低温であっても1mV以下であり、応用製品の実用化のためには今後出力の向上が必要である。   For example, there is a spin-MOSFET disclosed in Patent Document 1 below. Recently, in the following Non-Patent Document 1, the spin conduction phenomenon in silicon at room temperature has been proved, and movement toward application has begun. One of the reasons why the spin conduction phenomenon at room temperature has not been observed until recently is one of the causes that the temperature dependence of the spin injection efficiency into silicon rapidly decreases with increasing temperature (the following non-patent document) 2 and 3). Furthermore, there is a problem of output necessary for application. As shown in the following Patent Documents 1 to 7, the voltage generated by spin accumulation and conduction is 1 mV or less even at a low temperature, and the output needs to be improved in the future for practical application products. .

なお、スピン注入のためにシリコンチャンネル層上に形成するトンネル層の材料(トンネル材料)として、Al(非特許文献4)、SiO(非特許文献5)、MgO(非特許文献6)が従来より知られており、いずれもスピントロニクスにおいて代表的な物質である。 Note that Al 2 O 3 (Non-Patent Document 4), SiO 2 (Non-Patent Document 5), MgO (Non-Patent Document 6) are used as tunnel layer materials (tunnel materials) formed on the silicon channel layer for spin injection. ) Have been conventionally known, and all are representative substances in spintronics.

特開2004−111904号公報JP 2004-111904 A

T.Suzuki et. al., Applied Physics Express 4 (2011), 023003T. Suzuki et.al., Applied Physics Express 4 (2011), 023003 T.Sasaki et. al., Applied Physics Letter 96(2010), 122101T. Sasaki et.al., Applied Physics Letter 96 (2010), 122101 T.Sasaki et. al., Applied Physics Letter 98(2011), 012508T. Sasaki et.al., Applied Physics Letter 98 (2011), 012508 Erveet. al., Applied Physics Letter 91(2007), 212109Erveet.al., Applied Physics Letter 91 (2007), 212109 C. H.Li et. al., Applied Physics Letter 95(2009), 172102C. H.Li et.al., Applied Physics Letter 95 (2009), 172102 T.Sasaki et. al., Applied Physics Express 2 (2009), 053003T. Sasaki et.al., Applied Physics Express 2 (2009), 053003 F. J.Jedema Nature London 416(2002), 713F. J. Jedema Nature London 416 (2002), 713

上述したいずれのトンネル材料もアモルファスが安定状態であるが、チャンネル層の材料(チャンネル材料)のシリコンに対して格子定数が9%以上異なるかアモルファス膜となるため、シリコン上にエピタキシャル成長しにくい。もし仮に、エピタキシャル成長が実現できたとしても、格子定数の差が大きいために、成長界面付近で格子の不整合を形成して準安定状態を形成する必要がある。このような場合には、格子の不整合が生じている部分でスピンが散乱され、効率よくスピン注入されない虞がある。   Any of the tunnel materials described above is in a stable amorphous state, but it is difficult to epitaxially grow on silicon because the lattice constant is 9% or more different from that of silicon of the channel layer material (channel material) or an amorphous film. Even if epitaxial growth can be realized, since the difference in lattice constant is large, it is necessary to form a metastable state by forming a lattice mismatch near the growth interface. In such a case, there is a possibility that spins are scattered at a portion where lattice mismatch occurs, and spin injection is not efficiently performed.

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、スピン注入効率の向上が図られたスピン伝導素子及び磁気ヘッドを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a spin transport element and a magnetic head with improved spin injection efficiency.

スピン注入効率の向上を実現するために、発明者らはチャンネル材料とトンネル材料との間の格子定数の違いに着目した。この格子定数の違いによる格子不整合を取り除くためには、チャンネル材料と格子定数が近いトンネル材料を選択する必要がある。そして、格子不整合をさらに取り除くには、チャンネル材料と格子定数が近いトンネル材料中のイオンを、イオン半径の異なるイオンで一部置換して、チャンネル材料の格子定数を近づけることが考えられる。   In order to improve the spin injection efficiency, the inventors focused on the difference in lattice constant between the channel material and the tunnel material. In order to remove the lattice mismatch due to the difference in lattice constant, it is necessary to select a tunnel material having a lattice constant close to that of the channel material. In order to further eliminate the lattice mismatch, it is conceivable that the ions in the tunnel material having a lattice constant close to that of the channel material are partially replaced with ions having different ion radii to make the channel material closer to the lattice constant.

そこで、発明者らは、Siで構成されるチャンネル層と、チャンネル層上に積層された強磁性層と、チャンネル層と強磁性層との間に介在するように形成されたトンネル層とを備え、トンネル層が、NaCl構造のアルカリ土類酸化物で構成されており、かつ、該アルカリ土類酸化物のアルカリ土類イオンの一部が、異なる種類のアルカリ土類イオンに置換されたスピン伝導素子を新たに見いだした。   Therefore, the inventors include a channel layer made of Si, a ferromagnetic layer stacked on the channel layer, and a tunnel layer formed so as to be interposed between the channel layer and the ferromagnetic layer. And the tunnel layer is made of an alkaline earth oxide having a NaCl structure, and a part of the alkaline earth ions of the alkaline earth oxide is replaced with a different kind of alkaline earth ion. I found a new element.

このスピン伝導素子においては、トンネル層を構成するNaCl構造のアルカリ土類酸化物のアルカリ土類イオンが、異なる種類のアルカリ土類イオンに置換されても、NaCl構造が維持され、格子定数だけが変化する。そのため、チャンネル材料のSiの格子定数に近づくように、トンネル層を構成するアルカリ土類酸化物のアルカリ土類イオンを所定のアルカリ土類イオンで置換することで、チャンネル材料とトンネル材料との間の格子不整合が有意に緩和され、スピン伝導素子におけるスピン注入効率の向上が実現される。   In this spin transport device, even if the alkaline earth ions of the alkaline earth oxide of the NaCl structure constituting the tunnel layer are replaced with different types of alkaline earth ions, the NaCl structure is maintained, and only the lattice constant is obtained. Change. Therefore, by replacing the alkaline earth ions of the alkaline earth oxide constituting the tunnel layer with a predetermined alkaline earth ion so as to approach the lattice constant of Si of the channel material, a gap between the channel material and the tunnel material is obtained. The lattice mismatch is significantly relaxed, and the spin injection efficiency in the spin transport device is improved.

また、トンネル層がMgOまたはBaOで構成されている態様であってもよい。   Moreover, the aspect by which the tunnel layer is comprised by MgO or BaO may be sufficient.

さらに、トンネル層がMgOで構成され、トンネル層中のMgイオンが1〜6原子パーセントの割合でBeイオンに置換された態様であってもよく、また、トンネル層がBaOで構成され、トンネル層中のBaイオンが1〜7原子パーセントの割合でMgイオンに置換された態様であってもよい。   Further, the tunnel layer may be composed of MgO, and Mg ions in the tunnel layer may be replaced with Be ions at a rate of 1 to 6 atomic percent. The tunnel layer is composed of BaO, and the tunnel layer The embodiment may be such that the Ba ions therein are substituted with Mg ions at a rate of 1 to 7 atomic percent.

ここで、MgO及びBaOは、同じNaCl構造を有するアルカリ土類酸化物であり、格子定数はそれぞれ4.313Å(MgO)、5.526Å(BaO)である。MgOの結晶軸方位を45度回転させると5.958Åとなり、シリコンの格子定数5.4309Åに対して10%程度の差がある。そこで、トンネル材料がMgOの場合は、一部のMgイオンをよりイオン半径の小さいBeイオンに置換することで、トンネル材料の格子定数がチャンネル材料のシリコンに近づく。同様に、トンネル材料がBaOの場合は、一部のBaイオンをよりイオン半径の小さいMgイオンに置換することで、トンネル材料の格子定数がチャンネル材料のシリコンに近づく。   Here, MgO and BaO are alkaline earth oxides having the same NaCl structure, and the lattice constants are 4.313Å (MgO) and 5.526Å (BaO), respectively. When the crystal axis orientation of MgO is rotated 45 degrees, it becomes 5.958 Å, which is about 10% different from the lattice constant of 5.4309 シ リ コ ン of silicon. Therefore, when the tunnel material is MgO, the lattice constant of the tunnel material approaches that of the channel material silicon by replacing some Mg ions with Be ions having a smaller ion radius. Similarly, when the tunnel material is BaO, the lattice constant of the tunnel material approaches that of the channel material silicon by replacing some of the Ba ions with Mg ions having a smaller ion radius.

また、チャンネル層とトンネル層との界面の少なくとも一部が格子整合している態様であってもよい。   Further, at least a part of the interface between the channel layer and the tunnel layer may be lattice-matched.

さらに、トンネル層の膜厚が1.0〜2.5nmである態様であってもよい。   Furthermore, the aspect whose film thickness of a tunnel layer is 1.0-2.5 nm may be sufficient.

また、強磁性層が単磁区化されている態様であってもよく、強磁性層は、形状異方性により磁化の方位が固定されている態様や、反強磁性膜で磁化の方位が固定されている態様、シンセティック膜によって磁化の方位が固定されている態様であってもよい。   In addition, the ferromagnetic layer may have a single magnetic domain. The ferromagnetic layer may have a magnetization direction fixed by shape anisotropy or a magnetization direction fixed by an antiferromagnetic film. In other words, the orientation of magnetization may be fixed by a synthetic film.

なお、本発明のスピン伝導素子は、磁気ヘッド、スピントランジスタ、メモリ、センサ、論理回路等に適用することができる。   The spin transport device of the present invention can be applied to a magnetic head, a spin transistor, a memory, a sensor, a logic circuit, and the like.

本発明によれば、スピン注入効率の向上が図られたスピン伝導素子及び磁気ヘッドが提供される。   According to the present invention, a spin transport element and a magnetic head with improved spin injection efficiency are provided.

図1は、本発明の実施形態に係る磁気センサーの概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a magnetic sensor according to an embodiment of the present invention. 図2は、図1に示す磁気センサーの電極部分の部分拡大図である。FIG. 2 is a partial enlarged view of an electrode portion of the magnetic sensor shown in FIG. 図3は、トンネル材料にMgOを採用した場合の磁気センサーのHanle効果を示したグラフである。FIG. 3 is a graph showing the Hanle effect of the magnetic sensor when MgO is used as the tunnel material. 図4は、トンネル材料にBaOを採用した場合の磁気センサーのHanle効果を示したグラフである。FIG. 4 is a graph showing the Hanle effect of the magnetic sensor when BaO is adopted as the tunnel material. 図5は、BaOトンネル材料をMgイオンで置換したときの格子定数および出力の変化を示したグラフである。FIG. 5 is a graph showing changes in the lattice constant and the output when the BaO tunnel material is replaced with Mg ions. 図6は、MgOトンネル材料をBeイオンで置換したときの格子定数および出力の変化を示したグラフである。FIG. 6 is a graph showing changes in the lattice constant and output when the MgO tunnel material is replaced with Be ions. 図7は、図1とは異なる態様の磁気センサーの概略断面図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a magnetic sensor having a mode different from that of FIG. 図8は、図7に示す磁気センサーを含む磁気ヘッドを示した概略断面図である。FIG. 8 is a schematic sectional view showing a magnetic head including the magnetic sensor shown in FIG. 図9は、図2とは異なる態様の電極部分の部分拡大図である。FIG. 9 is a partially enlarged view of an electrode portion having a mode different from that in FIG.

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description, the same reference numerals are used for the same elements or elements having the same function, and redundant description is omitted.

図1に示すように、スピン伝導素子の一つである磁気センサー1は、チャンネル層10と、第一強磁性層20Aと、第二強磁性層20Bとを有し、Z軸方向の外部磁界を検出するものである。   As shown in FIG. 1, a magnetic sensor 1 that is one of the spin transport elements includes a channel layer 10, a first ferromagnetic layer 20A, and a second ferromagnetic layer 20B, and an external magnetic field in the Z-axis direction. Is detected.

チャンネル層10は、第一強磁性層20Aから第二強磁性層20Bまで延びており、チャンネル層10の厚み方向から見て、矩形状をなしている。チャンネル層10に流れる電流及びスピン流は、主にX軸方向に流れる構造となっている。チャンネル層10には、導電性を付与するためのイオンが添加されていても良い。イオン濃度は、例えば1.0×1015〜1.0×1022cm−3とすることができる。チャンネル層10は、スピン寿命の長い材料であることが好ましく、Siで構成されている。また、チャンネル層10における第一強磁性層20Aから第二強磁性層20Bまでの距離は、チャンネル層10のスピン拡散長以下であることが好ましい。 The channel layer 10 extends from the first ferromagnetic layer 20 </ b> A to the second ferromagnetic layer 20 </ b> B, and has a rectangular shape when viewed from the thickness direction of the channel layer 10. The current and spin current flowing in the channel layer 10 are structured to flow mainly in the X-axis direction. The channel layer 10 may be doped with ions for imparting conductivity. The ion concentration can be, for example, 1.0 × 10 15 to 1.0 × 10 22 cm −3 . The channel layer 10 is preferably a material having a long spin lifetime, and is made of Si. In addition, the distance from the first ferromagnetic layer 20 </ b> A to the second ferromagnetic layer 20 </ b> B in the channel layer 10 is preferably equal to or shorter than the spin diffusion length of the channel layer 10.

第一強磁性層20A及び第二強磁性層20Bは、チャンネル層10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10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。第一強磁性層20Aは、チャンネル層10の第一領域11上に設けられている。第二強磁性層20Bは、チャンネル層10の第二領域12上に設けられている。   The first ferromagnetic layer 20 </ b> A and the second ferromagnetic layer 20 </ b> B function as injection electrodes for injecting spins into the channel layer 10 or reception electrodes for detecting spins conducted through the channel layer 10. The first ferromagnetic layer 20 </ b> A is provided on the first region 11 of the channel layer 10. The second ferromagnetic layer 20 </ b> B is provided on the second region 12 of the channel layer 10.

第一強磁性層20A及び第二強磁性層20Bは、それぞれY軸方向を長軸とした直方体形状を有しており、Y軸方向とX軸方向のアスペクト比の違いによって反転磁場の差をつけている。第一強磁性層20A及び第二強磁性層20BのY軸方向に関する幅は、同一とすることができ、X軸方向の幅が異なることで第一強磁性層20A及び第二強磁性層20Bの保磁力に違いを持たせることができる。図1に示すように、第一強磁性層20Aの磁化方向G1は、例えば第二強磁性層20Bの磁化方向G2と同一にすることができる。この場合、第一強磁性層20A及び第二強磁性層20Bの磁化固定を容易に行える。   Each of the first ferromagnetic layer 20A and the second ferromagnetic layer 20B has a rectangular parallelepiped shape with the Y axis direction as the major axis, and the difference in the reversal magnetic field is caused by the difference in the aspect ratio between the Y axis direction and the X axis direction. I'm wearing it. The first ferromagnetic layer 20A and the second ferromagnetic layer 20B can have the same width in the Y-axis direction, and the first ferromagnetic layer 20A and the second ferromagnetic layer 20B can have different widths in the X-axis direction. The coercive force can be made different. As shown in FIG. 1, the magnetization direction G1 of the first ferromagnetic layer 20A can be the same as the magnetization direction G2 of the second ferromagnetic layer 20B, for example. In this case, the magnetization of the first ferromagnetic layer 20A and the second ferromagnetic layer 20B can be easily fixed.

第一強磁性層20A及び第二強磁性層20Bは、強磁性材料からなる。第一強磁性層20A及び第二強磁性層20Bの材料は、例えば、TbFeCo、FePt、CoPt、FePd、MnAl、CrCoであり、その他の材料として、Al、Cr、Mn、Co、Fe、Ni、Pd、Pt、Tbからなる群から選択される金属、前記群の元素を1以上含む合金、又は、前記群から選択される1以上の元素と、B、C、N、Si、Ge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とすることができる。   The first ferromagnetic layer 20A and the second ferromagnetic layer 20B are made of a ferromagnetic material. The material of the first ferromagnetic layer 20A and the second ferromagnetic layer 20B is, for example, TbFeCo, FePt, CoPt, FePd, MnAl, CrCo, and other materials include Al, Cr, Mn, Co, Fe, Ni, A metal selected from the group consisting of Pd, Pt, Tb, an alloy containing one or more elements of the group, or a group consisting of one or more elements selected from the group and B, C, N, Si, Ge It can be set as the compound containing 1 or more elements selected from these.

磁気センサー1は、更に、第一参照電極30Aと第二参照電極30Bとを備えている。第一参照電極30Aは、チャンネル層10の第三領域13上に設けられている。第二参照電極30Bは、チャンネル層10の第四領域14上に設けられている。また、チャンネル層10は、第一強磁性層20Aから第二強磁性層20Bまで延びる方向とは異なる方向に、第一強磁性層20Aから第一参照電極30Aまで延びており、チャンネル層10は、第二強磁性層20Bから第一強磁性層20Aまで延びる方向とは異なる方向に、第二強磁性層20Bから第二参照電極30Bまで延びている。第一参照電極30A及び第二参照電極30B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。   The magnetic sensor 1 further includes a first reference electrode 30A and a second reference electrode 30B. The first reference electrode 30 </ b> A is provided on the third region 13 of the channel layer 10. The second reference electrode 30 </ b> B is provided on the fourth region 14 of the channel layer 10. The channel layer 10 extends from the first ferromagnetic layer 20A to the first reference electrode 30A in a direction different from the direction extending from the first ferromagnetic layer 20A to the second ferromagnetic layer 20B. The second ferromagnetic layer 20B extends from the second ferromagnetic layer 20B to the second reference electrode 30B in a direction different from the direction extending from the second ferromagnetic layer 20B to the first ferromagnetic layer 20A. The first reference electrode 30A and the second reference electrode 30B are made of a conductive material, for example, a non-magnetic metal having a low resistance to Si such as Al.

第三領域13と第四領域14との間に、第一領域11及び第二領域12が存在している。チャンネル層10上には、第一参照電極30A、第一強磁性層20A、第二強磁性層20B、及び第二参照電極30Bが、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。   Between the third region 13 and the fourth region 14, the first region 11 and the second region 12 exist. On the channel layer 10, the first reference electrode 30A, the first ferromagnetic layer 20A, the second ferromagnetic layer 20B, and the second reference electrode 30B are arranged in this order at a predetermined interval in the X-axis direction. ing.

磁気センサー1は、更に、トンネル層22A、22Bを備えている。トンネル層22A、22Bは、チャンネル層10と、第一強磁性層20A及び第二強磁性層20Bとの間にそれぞれ設けられている。これにより、第一強磁性層20A及び第二強磁性層20Bからチャンネル層10へスピン偏極した電子を高効率に注入することが可能となり、磁気センサー1の電位出力を高めることが可能となる。   The magnetic sensor 1 further includes tunnel layers 22A and 22B. The tunnel layers 22A and 22B are provided between the channel layer 10 and the first and second ferromagnetic layers 20A and 20B, respectively. As a result, spin-polarized electrons can be injected from the first ferromagnetic layer 20A and the second ferromagnetic layer 20B to the channel layer 10 with high efficiency, and the potential output of the magnetic sensor 1 can be increased. .

トンネル層22A、22Bは、絶縁性材料の膜からなるトンネル障壁であり、NaCl構造のアルカリ土類酸化物であるBaOのBaイオンをMgイオンで一部置換したBaMgOで構成されている。トンネル層22A、22Bの膜厚は、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2.5nm以下であることが好ましく、BaMgOが膜として形成できる膜厚である1.0nm以上であることが好ましい。   The tunnel layers 22A and 22B are tunnel barriers made of an insulating material film, and are made of BaMgO in which Ba ions of BaO, which is an alkaline earth oxide having a NaCl structure, are partially substituted with Mg ions. The thickness of the tunnel layers 22A and 22B is preferably 2.5 nm or less from the viewpoint of suppressing an increase in resistance and functioning as a tunnel insulating layer, and is 1.0 nm or more, which is a thickness at which BaMgO can be formed as a film. Preferably there is.

磁気センサー1は、更に、絶縁膜(あるいは絶縁体)を備えている。絶縁膜は、チャンネル層10の露出を防ぎ、チャンネル層10を電気的及び磁気的に絶縁する機能を有する。絶縁膜は、チャンネル層10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ことが好ましい。絶縁膜10aが、チャンネル層10の下面に設けられており、絶縁膜10bが、チャンネル層10の上面上に設けられている。   The magnetic sensor 1 further includes an insulating film (or an insulator). The insulating film has a function of preventing the channel layer 10 from being exposed and electrically and magnetically insulating the channel layer 10. The insulating film preferably covers a necessary region of the surface (for example, the lower surface, the side surface, or the upper surface) of the channel layer 10. The insulating film 10 a is provided on the lower surface of the channel layer 10, and the insulating film 10 b is provided on the upper surface of the channel layer 10.

具体的に、絶縁膜10bは、チャンネル層10の第一領域11と第二領域12との間に存在する領域の上面、チャンネル層10の第一領域11と第三領域13との間に存在する領域の上面、第二領域12と第四領域14との間に存在する領域の上面上に設けられている。この絶縁膜10b上に、第一参照電極30A、第一強磁性層20A、第二強磁性層20B、及び第二参照電極30Bに接続する配線を設ければ、この配線によってチャンネル層10のスピンが吸収されることを抑制できる。また、絶縁膜10b上に配線を設けることにより、配線からチャンネル層10へ電流が流れることも抑制できる。   Specifically, the insulating film 10 b exists between the upper surface of the region existing between the first region 11 and the second region 12 of the channel layer 10 and between the first region 11 and the third region 13 of the channel layer 10. Provided on the upper surface of the region that is between the second region 12 and the fourth region 14. If a wiring connected to the first reference electrode 30A, the first ferromagnetic layer 20A, the second ferromagnetic layer 20B, and the second reference electrode 30B is provided on the insulating film 10b, the spin of the channel layer 10 is formed by this wiring. Can be prevented from being absorbed. In addition, by providing a wiring on the insulating film 10b, it is possible to suppress a current from flowing from the wiring to the channel layer 10.

続いて、磁気センサー1を作製する手順について、その一例を説明する。   Next, an example of the procedure for manufacturing the magnetic sensor 1 will be described.

まず、予め準備したSOI基板(Si100nm/SiOx200nm/Si基板)に、アライメントマークを形成する。アライメントマークを目印として、基板上において、例えば分子線エピタキシー(MBE)法によって、絶縁膜10aを形成する。   First, alignment marks are formed on a previously prepared SOI substrate (Si 100 nm / SiO x 200 nm / Si substrate). Using the alignment mark as a mark, the insulating film 10a is formed on the substrate by, for example, molecular beam epitaxy (MBE).

続いて、例えばMBE法によって、絶縁膜10a上にチャンネル層10を形成する。チャンネル層10に、導電性を付与するためのイオンを注入して、チャンネル層10の伝導特性を調節する。その後、900℃の温度で熱アニールによってイオンを拡散させる。次いで、RCA洗浄により、チャンネル層10の表面の付着物、有機物、及び酸化膜の除去し、その後、HF洗浄液を用いて表面を水素で終端させた。   Subsequently, the channel layer 10 is formed on the insulating film 10a by, for example, the MBE method. Ions for imparting conductivity are implanted into the channel layer 10 to adjust the conduction characteristics of the channel layer 10. Thereafter, ions are diffused by thermal annealing at a temperature of 900 ° C. Next, deposits, organic substances, and oxide films on the surface of the channel layer 10 were removed by RCA cleaning, and then the surface was terminated with hydrogen using an HF cleaning solution.

その後、基板をMBE装置(ベース真空度:2.0×10−9Torr以下)に搬入した後、基板加熱によるフラッシング処理により基板表面の水素を脱離させ、清浄表面を形成した。堆積時の真空度は5×10−8Torr以下であり、BaMgO(膜厚1.2nm)、Fe(膜厚10nm)、Ru(膜厚1.5nm)、Ta(膜厚1nm)の順に成膜を行う。すなわち、チャンネル層10上に、トンネル層22A、22BとなるBaMgO膜と、第一強磁性層20A及び第二強磁性層20BとなるFe膜(強磁性膜)とをこの順に形成する。その結果、チャンネル層10とトンネル層22A、22Bとの界面の少なくとも一部が格子整合する。 Thereafter, the substrate was carried into an MBE apparatus (base vacuum degree: 2.0 × 10 −9 Torr or less), and then hydrogen on the substrate surface was desorbed by a flushing process by heating the substrate to form a clean surface. The degree of vacuum at the time of deposition is 5 × 10 −8 Torr or less, and BaMgO (film thickness 1.2 nm), Fe (film thickness 10 nm), Ru (film thickness 1.5 nm), Ta (film thickness 1 nm) are formed in this order. Do the membrane. That is, on the channel layer 10, a BaMgO film to be the tunnel layers 22A and 22B and an Fe film (ferromagnetic film) to be the first ferromagnetic layer 20A and the second ferromagnetic layer 20B are formed in this order. As a result, at least a part of the interface between the channel layer 10 and the tunnel layers 22A and 22B is lattice-matched.

次いで、これらのBaMgO膜及び強磁性膜を例えば電子ビーム(EB)法にて、マスクを用いて加工する。たとえば、特開2010−199320号公報に開示されているように、マスクを用いて、イオンミリングあるいは化学的なエッチングによりチャンネル層10を形成する。さらに、チャンネル層10の上のBaMgO膜及び強磁性膜を、例えば電子ビーム(EB)法にて形成する。これをさらにイオンミリングあるいは化学的エッチングにより、チャンネル層10の第一領域11上に、トンネル層22Aを介して第一強磁性層20Aが形成され、チャンネル層10の第二領域12上に、トンネル層22Bを介して第二強磁性層20Bが形成される。なお、上述のとおり、必要に応じて、第一強磁性層20A及び第二強磁性層20B上に、例えばMBE法によって、さらに反強磁性層を形成してもよい。そして、第一強磁性層20Aまたは第二強磁性層20Bの磁化方向を固定するために、磁場下でのアニールを行う。その後、例えばイオンミリングによって、チャンネル層10上に形成された不要なトンネル膜や強磁性膜を除去する。   Next, the BaMgO film and the ferromagnetic film are processed using a mask by, for example, an electron beam (EB) method. For example, as disclosed in JP 2010-199320 A, the channel layer 10 is formed by ion milling or chemical etching using a mask. Further, a BaMgO film and a ferromagnetic film on the channel layer 10 are formed by, for example, an electron beam (EB) method. By further ion milling or chemical etching, a first ferromagnetic layer 20A is formed on the first region 11 of the channel layer 10 via the tunnel layer 22A, and a tunnel is formed on the second region 12 of the channel layer 10. The second ferromagnetic layer 20B is formed via the layer 22B. As described above, if necessary, an antiferromagnetic layer may be further formed on the first ferromagnetic layer 20A and the second ferromagnetic layer 20B by, for example, the MBE method. Then, annealing is performed under a magnetic field in order to fix the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 20A or the second ferromagnetic layer 20B. Thereafter, unnecessary tunnel films and ferromagnetic films formed on the channel layer 10 are removed by, for example, ion milling.

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10上に絶縁膜10bを形成する。また、チャンネル層10の第三領域13及び第四領域14上の絶縁膜10bを除去し、第一参照電極30A及び第二参照電極30Bをそれぞれ形成する。   Next, an insulating film 10b is formed on the channel layer 10 from which unnecessary barrier films and ferromagnetic films have been removed. Further, the insulating film 10b on the third region 13 and the fourth region 14 of the channel layer 10 is removed, and the first reference electrode 30A and the second reference electrode 30B are formed, respectively.

以下、磁気センサー1の作用効果を説明する。   Hereinafter, the function and effect of the magnetic sensor 1 will be described.

まず、第一強磁性層20A及び第二強磁性層20Bの磁化方向を固定する。図1に示す例では、第一強磁性層20Aの磁化方向G1は、第二強磁性層20Bの磁化方向G2と同一方向(Y軸方向)に固定している。   First, the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 20A and the second ferromagnetic layer 20B are fixed. In the example shown in FIG. 1, the magnetization direction G1 of the first ferromagnetic layer 20A is fixed in the same direction (Y-axis direction) as the magnetization direction G2 of the second ferromagnetic layer 20B.

例えば第一強磁性層20A及び第一参照電極30Aを電流源に接続することにより、第一強磁性層20Aに検出用電流を流すことができる。非磁性のチャンネル層10からトンネル層22Aを介して、強磁性体である第一強磁性層20Aへ電流が流れることにより、第一強磁性層20A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10へ注入される。注入されたスピンは第二強磁性層20B側へ拡散していく。このように、チャンネル層20に流れる電流及びスピン流が、主にX軸方向に流れる構造とすることができる。   For example, by connecting the first ferromagnetic layer 20A and the first reference electrode 30A to a current source, a detection current can be passed through the first ferromagnetic layer 20A. When a current flows from the nonmagnetic channel layer 10 through the tunnel layer 22A to the first ferromagnetic layer 20A, which is a ferromagnetic material, spin in a direction corresponding to the magnetization direction G1 of the first ferromagnetic layer 20A is generated. The electrons they have are injected into the channel layer 10. The injected spin diffuses toward the second ferromagnetic layer 20B. In this way, the current and spin current flowing in the channel layer 20 can be configured to flow mainly in the X-axis direction.

ここで、チャンネル層10に外部磁場を印加しないとき、すなわち外部磁場がゼロのとき、チャンネル層10の第一領域11と第二領域12との間の領域を拡散するスピンの向きは回転しない。よって、予め設定された第二強磁性層20Bの磁化の向きG2と同一方向のスピンが第二領域12まで拡散してくることとなる。従って、外部磁場がゼロのとき、抵抗出力あるいは電圧出力が極値となる。なお、電流や磁化の向きで極大値あるいは極小値をとりうる。出力は、第二強磁性層20B及び第二参照電極30Bに接続した電圧測定器などの出力測定器により評価することができる。   Here, when no external magnetic field is applied to the channel layer 10, that is, when the external magnetic field is zero, the direction of spins diffusing in the region between the first region 11 and the second region 12 of the channel layer 10 does not rotate. Accordingly, spins in the same direction as the magnetization direction G2 of the second ferromagnetic layer 20B set in advance diffuse to the second region 12. Therefore, when the external magnetic field is zero, the resistance output or voltage output becomes an extreme value. The maximum value or the minimum value can be taken depending on the direction of current or magnetization. The output can be evaluated by an output measuring instrument such as a voltage measuring instrument connected to the second ferromagnetic layer 20B and the second reference electrode 30B.

対して、チャンネル層10へ外部磁場を印加する場合を考える。なお、図1の例では、外部磁場はZ軸方向から印加する。外部磁場を印加すると、チャンネル層10内を拡散してきたスピンの向きは、外部磁場の軸方向(Z軸方向)を中心として回転する(いわゆるHanle効果)。このスピンがチャンネル層10の第二領域12まで拡散してきたときの回転の向きと、予め設定された第二強磁性層20Bの磁化の向きG2、すなわちスピンと、の相対角により、チャンネル層10と第二強磁性層20Bの界面の電圧出力や抵抗出力が決定される。外部磁場を印加する場合、チャンネル層10を拡散するスピンの向きは回転するので、第二強磁性層20Bの磁化の向きG2と向きが揃わない。よって、抵抗出力あるいは電圧出力は、外部磁場がゼロのときに極大値をとる場合、外部磁場を印加するときには極大値以下となり、外部磁場がゼロのときに極小値をとる場合、外部磁場を印加すると極小値以上となる。   On the other hand, consider a case where an external magnetic field is applied to the channel layer 10. In the example of FIG. 1, the external magnetic field is applied from the Z-axis direction. When an external magnetic field is applied, the direction of the spin diffused in the channel layer 10 rotates around the axial direction (Z-axis direction) of the external magnetic field (so-called Hanle effect). Depending on the relative angle between the rotation direction when the spin diffuses to the second region 12 of the channel layer 10 and the magnetization direction G2 of the second ferromagnetic layer 20B set in advance, that is, the spin, the channel layer 10 And the voltage output and resistance output at the interface of the second ferromagnetic layer 20B are determined. When an external magnetic field is applied, the direction of the spin diffusing through the channel layer 10 rotates, and thus the direction of magnetization G2 of the second ferromagnetic layer 20B is not aligned. Therefore, the resistance output or voltage output takes the maximum value when the external magnetic field is zero, becomes the maximum value or less when the external magnetic field is applied, and applies the external magnetic field when it takes the minimum value when the external magnetic field is zero. Then, it becomes the minimum value or more.

従って、外部磁場がゼロのときに出力のピークが現れ、外部磁場を増加または減少させると、出力が減少していく。つまり、外部磁場の有無によって出力が変化するので、本実施形態に係る磁気センサー1を磁気検出素子として使用できる。   Therefore, an output peak appears when the external magnetic field is zero, and when the external magnetic field is increased or decreased, the output decreases. That is, since the output changes depending on the presence or absence of an external magnetic field, the magnetic sensor 1 according to this embodiment can be used as a magnetic detection element.

なお、磁気センサー1では、上述のように外部磁場がゼロで出力のピークが出る。よって、例えば磁気ヘッドなどに磁気センサー1を適用して、外部磁場の正負のタイミングを読み取る場合、磁壁の磁場がキャンセルするゼロのところで出力ピークがでるので、ここで反転したと判断することができる。また、磁気センサー1ではヒステリシスがないことも特徴である。   In the magnetic sensor 1, as described above, the external magnetic field is zero and the output peak appears. Therefore, for example, when the magnetic sensor 1 is applied to a magnetic head or the like and the positive / negative timing of the external magnetic field is read, an output peak appears at the zero point where the magnetic field of the domain wall cancels. . The magnetic sensor 1 is also characterized by no hysteresis.

以上で説明したとおり、磁気センサー1におけるトンネル層22A、22BはBaMgOで構成されており、図3及び図4のグラフから、MgOもBaOもほぼ同様のHanle結果が得られることがわかる。   As described above, the tunnel layers 22A and 22B in the magnetic sensor 1 are composed of BaMgO, and it can be seen from the graphs of FIGS. 3 and 4 that the same Hanle results are obtained for both MgO and BaO.

BaとMgとの比率(すなわち、組成比x)は、ICP発光分析の結果を用いた。評価用のBa1−XMgO膜(膜厚3nm)を用いた。 The result of ICP emission analysis was used for the ratio of Ba and Mg (that is, composition ratio x). An evaluation Ba 1-X Mg X O film (film thickness: 3 nm) was used.

図5(a)は、BaOトンネル材料のBaイオンをMgイオンで一部置換して、Ba1−xMgOの組成比を変えたときの格子定数の変化を示したグラフであり、このグラフから、Mgの組成比(x)を1原子パーセントから7原子パーセントまで増加させていくと、次第にシリコンの格子定数5.4309Åに近づいていくことがわかる。 FIG. 5 (a) is a graph showing changes in the lattice constant when Ba ions of the BaO tunnel material are partially substituted with Mg ions and the composition ratio of Ba 1-x Mg x O is changed. From the graph, it can be seen that as the Mg composition ratio (x) is increased from 1 atomic percent to 7 atomic percent, it gradually approaches the lattice constant of 5.43094 of silicon.

図5(b)は、BaOトンネル材料のBaイオンをMgイオンで一部置換して、Ba1−xMgOの組成比を変えたときのスピン出力の変化を示したグラフであり、このグラフから、Mgの組成比(x)を1原子パーセントから7原子パーセントまで増加させていくと、スピン出力が次第に増加していくことがわかる。 FIG. 5B is a graph showing changes in spin output when Ba ions of the BaO tunnel material are partially substituted with Mg ions and the composition ratio of Ba 1-x Mg x O is changed. From the graph, it can be seen that as the Mg composition ratio (x) is increased from 1 atomic percent to 7 atomic percent, the spin output gradually increases.

すなわち、図5(a)および(b)のグラフから、BaMgOトンネル材料中のBaイオンを1〜7原子パーセントの割合でMgイオンに置換することで、チャンネル材料のシリコンとトンネル材料のBaMgOとの間の格子不整合が有意に緩和され、スピン伝導素子におけるスピン注入効率が向上したものと考えられる。   That is, from the graphs of FIGS. 5A and 5B, by replacing the Ba ions in the BaMgO tunnel material with Mg ions at a ratio of 1 to 7 atomic percent, the channel material silicon and the tunnel material BaMgO It is considered that the lattice mismatch is significantly relaxed, and the spin injection efficiency in the spin transport device is improved.

なお、図5(a)のグラフにおいて、Mgの組成比を8原子パーセント以上にした場合、格子定数の変化は小さくなり、Mgの置換が困難であることが示されている。また、スピン出力も、Mgの組成比を高くすることで増大する傾向にあるが、8原子パーセント以上になると下がる傾向にある。これは、BaOをMgで置換してSiとの格子定数に近くすると、その置換によるスピンの散乱の因子も同時に生じることに起因し、Mgの組成比が高くなるとむしろ出力が下がる傾向にある。Mgの置換量が8原子パーセント以下の場合は置換量に対して格子定数が直線的に変化するが、8原子パーセント以上にした場合には直線からはずれる傾向が見られている。これは8原子パーセント以上にした場合においてBaイオンをMgイオンで置き換えられず、逆に、不純物としてスピンの散乱体として機能している可能性が考えられる。   In the graph of FIG. 5A, when the Mg composition ratio is 8 atomic percent or more, the change in the lattice constant is small, indicating that it is difficult to replace Mg. Also, the spin output tends to increase as the composition ratio of Mg increases, but tends to decrease when the composition ratio becomes 8 atomic percent or more. This is because when BaO is replaced with Mg and close to the lattice constant with Si, a factor of spin scattering due to the substitution also occurs at the same time, and when the Mg composition ratio increases, the output tends to decrease. When the Mg substitution amount is 8 atomic percent or less, the lattice constant changes linearly with respect to the substitution amount, but when it is 8 atomic percent or more, there is a tendency to deviate from the straight line. In the case of 8 atomic percent or more, Ba ions cannot be replaced with Mg ions, and conversely, there is a possibility that they function as spin scatterers as impurities.

上述した実施形態においては、トンネル材料をBa1−xMgOとして図5のような結果が得られたが、トンネル材料がMg1−xBeOの場合においても図6に示すように同様の結果が得られる。 In the embodiment described above, the tunnel material is Ba 1-x Mg x O, and the result as shown in FIG. 5 is obtained. Even when the tunnel material is Mg 1-x Be x O, as shown in FIG. Similar results are obtained.

図6(a)は、MgOトンネル材料のMgイオンをBeイオンで一部置換して、Mg1−xBeOの組成比を変えたときの格子定数の変化を示したグラフであり、このグラフから、Beの組成比(x)を1原子パーセントから6原子パーセントまで増加させていくと、格子定数がBeの置換量に対して直線的に減少する。格子定数が減少することによりMgOの基本格子が45度傾いた方向を基本格子として考えた場合に、次第にシリコンの格子定数5.4309Åに近づいていくことがわかる。 FIG. 6A is a graph showing changes in the lattice constant when Mg ions of the MgO tunnel material are partially substituted with Be ions and the composition ratio of Mg 1-x Be x O is changed. From the graph, when the composition ratio (x) of Be is increased from 1 atomic percent to 6 atomic percent, the lattice constant decreases linearly with respect to the substitution amount of Be. It can be seen that when the basic lattice of MgO is considered as the basic lattice when the lattice constant is decreased by 45 degrees, the lattice constant gradually approaches the lattice constant of 5.4309 格子 of silicon.

図6(b)は、MgOトンネル材料のMgイオンをBeイオンで一部置換して、Mg1−xBeOの組成比を変えたときのスピン出力の変化を示したグラフであり、このグラフから、Beの組成比(x)を1原子パーセントから6原子パーセントまで増加させていくと、スピン出力が次第に増加していくことがわかる。 FIG. 6B is a graph showing changes in spin output when Mg ions of the MgO tunnel material are partially substituted with Be ions and the composition ratio of Mg 1-x Be x O is changed. From the graph, it can be seen that as the composition ratio (x) of Be is increased from 1 atomic percent to 6 atomic percent, the spin output gradually increases.

すなわち、図6(a)および(b)のグラフから、MgBeOトンネル材料中のMgイオンを1〜6原子パーセントの割合でBeイオンに置換することで、チャンネル材料のシリコンとトンネル材料のMgBeOとの間の格子不整合が有意に緩和され、スピン伝導素子におけるスピン注入効率が向上したものと考えられる。   That is, from the graphs of FIGS. 6A and 6B, by replacing Mg ions in the MgBeO tunnel material with Be ions at a rate of 1 to 6 atomic percent, the channel material silicon and the tunnel material MgBeO It is considered that the lattice mismatch is significantly relaxed, and the spin injection efficiency in the spin transport device is improved.

本発明の磁気センサー1は、図8に示すような磁気ヘッド100Aや、スピントランジスタやメモリ、センサ、論理回路等に適用することができる。なお、磁気ヘッドに最適化する場合には、外部磁場は図1のY軸方向から入射される場合が好ましく、この場合、図7に示す磁気センサー1Aのように、強磁性層20A、20BはX軸(あるいはZ軸)に固定される。強磁性層20A、20Bの磁化方向の固定方法は、反強磁性膜で磁化方向をX方向に固定するか、あるいは、Z方向に磁気異方性を持つ垂直磁化膜が好ましい。   The magnetic sensor 1 of the present invention can be applied to a magnetic head 100A as shown in FIG. 8, a spin transistor, a memory, a sensor, a logic circuit, or the like. When optimizing the magnetic head, it is preferable that the external magnetic field is incident from the Y-axis direction of FIG. 1, and in this case, the ferromagnetic layers 20A and 20B are formed like the magnetic sensor 1A shown in FIG. It is fixed to the X axis (or Z axis). As a method for fixing the magnetization directions of the ferromagnetic layers 20A and 20B, an antiferromagnetic film that fixes the magnetization direction in the X direction or a perpendicular magnetization film having magnetic anisotropy in the Z direction is preferable.

図8は、薄膜磁気記録再生ヘッドである磁気ヘッド100Aを示す概略断面図である。上述した図7の磁気センサー1Aを磁気ヘッド100Aの読取ヘッド部100aに適用することができる。磁気ヘッド100Aは、そのエアベアリング面(AirBearing Surface:媒体対向面)ABSが磁気記録媒体120の記録面120aに対向配置されるような位置で磁気情報の記録及び読み取り動作を行う。上述の磁気センサー1Aのチャンネル層10の前端面(図7におけるチャンネル層10の紙面手前側の面)が、このエアベアリング面ABSに対応するように配置されることとなる。   FIG. 8 is a schematic sectional view showing a magnetic head 100A which is a thin film magnetic recording / reproducing head. The magnetic sensor 1A shown in FIG. 7 described above can be applied to the read head unit 100a of the magnetic head 100A. The magnetic head 100 </ b> A performs magnetic information recording and reading operations at a position where its air bearing surface (air bearing surface) ABS is disposed to face the recording surface 120 a of the magnetic recording medium 120. The front end surface of the channel layer 10 of the magnetic sensor 1A described above (the front surface of the channel layer 10 in FIG. 7) is disposed so as to correspond to the air bearing surface ABS.

磁気記録媒体120は、記録面120aを有する記録層120bと、記録層120bに積層される軟磁性の裏打ち層120cとを含んで構成されており、図8のZ軸方向で示す方向に、磁気ヘッド100Aに対して相対的に進行する。磁気ヘッド100Aは、磁気記録媒体120から記録を読み取る読取ヘッド部100aの他に、磁気記録媒体120への記録を行う記録ヘッド部100bを備える。読取ヘッド部100a及び記録ヘッド部100bは、基板101上に設けられており、アルミナ等の非磁性絶縁層により覆われている。   The magnetic recording medium 120 includes a recording layer 120b having a recording surface 120a and a soft magnetic backing layer 120c laminated on the recording layer 120b, and the magnetic recording medium 120 is magnetic in the direction indicated by the Z-axis direction in FIG. Progress relative to the head 100A. The magnetic head 100 </ b> A includes a recording head unit 100 b that performs recording on the magnetic recording medium 120 in addition to the reading head unit 100 a that reads records from the magnetic recording medium 120. The read head unit 100a and the recording head unit 100b are provided on the substrate 101 and are covered with a nonmagnetic insulating layer such as alumina.

図8に示すように、読取ヘッド部100aの上に、書き込み用の記録ヘッド部100bが設けられている。記録ヘッド部100bにおいて、リターンヨーク130上にコンタクト部132及び主磁極133が設けられており、これらが磁束のパスを形成している。コンタクト部132を取り囲むように薄膜コイル131が設けられており、薄膜コイル131に記録電流を流すと主磁極133の先端から磁束が放出され、ハードディスク等の磁気記録媒体120の記録層120bに情報を記録することができる。以上のように、本発明の磁気センサー1を用いて、記録媒体などの微小な領域から磁束を検出可能な磁気ヘッド100Aを提供できる。   As shown in FIG. 8, a recording head unit 100b for writing is provided on the reading head unit 100a. In the recording head portion 100b, a contact portion 132 and a main magnetic pole 133 are provided on the return yoke 130, and these form a magnetic flux path. A thin film coil 131 is provided so as to surround the contact portion 132. When a recording current is passed through the thin film coil 131, a magnetic flux is released from the tip of the main magnetic pole 133, and information is recorded on the recording layer 120b of the magnetic recording medium 120 such as a hard disk. Can be recorded. As described above, the magnetic head 100A capable of detecting a magnetic flux from a minute region such as a recording medium can be provided by using the magnetic sensor 1 of the present invention.

なお、本発明は上述した実施形態に限らず、様々な変形が可能である。たとえば、第一強磁性層20A及び第二強磁性層20Bの部分における電極構造は、図9に示すようなシンセティック膜により磁化される積層構造とすることが可能である。図9の積層構造は、Si上に、BaMgO(膜厚1.2nm)、Fe(膜厚10nm)、Ru(膜厚1.5nm)、Ta(膜厚1nm)が順次成膜された構造であり、チャンネル層10、トンネル層22A、22B、強磁性層20A、20B、保護膜層24、Ru層26、強磁性層28に相当する。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. For example, the electrode structure in the portions of the first ferromagnetic layer 20A and the second ferromagnetic layer 20B can be a laminated structure magnetized by a synthetic film as shown in FIG. 9 is a structure in which BaMgO (film thickness 1.2 nm), Fe (film thickness 10 nm), Ru (film thickness 1.5 nm), and Ta (film thickness 1 nm) are sequentially formed on Si. Corresponding to the channel layer 10, the tunnel layers 22 A and 22 B, the ferromagnetic layers 20 A and 20 B, the protective film layer 24, the Ru layer 26, and the ferromagnetic layer 28.

また、第一強磁性層20A及び第二強磁性層20Bの磁化方向は、第一強磁性層20A及び第二強磁性層20B上に設けられた反強磁性層または形状異方性により、固定されていても良い。例えば、第一強磁性層20A及び第二強磁性層20Bにおいて、X軸方向とY軸方向のアスペクト比の違いによって、反転磁場の差を付ける。あるいは、第一強磁性層20A及び第二強磁性層20Bに、磁化の向きを固定するための反強磁性層を備えても良い。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第一強磁性層20Aあるいは第二強磁性層20Bが得られる。   The magnetization directions of the first ferromagnetic layer 20A and the second ferromagnetic layer 20B are fixed by an antiferromagnetic layer or shape anisotropy provided on the first ferromagnetic layer 20A and the second ferromagnetic layer 20B. May be. For example, in the first ferromagnetic layer 20A and the second ferromagnetic layer 20B, the difference in the reversal magnetic field is given by the difference in the aspect ratio between the X-axis direction and the Y-axis direction. Alternatively, the first ferromagnetic layer 20A and the second ferromagnetic layer 20B may be provided with an antiferromagnetic layer for fixing the magnetization direction. In this case, the first ferromagnetic layer 20A or the second ferromagnetic layer 20B having a higher coercive force in one direction than when no antiferromagnetic layer is provided can be obtained.

なお、トンネル材料の置換するイオンは、同じイオン価数の元素で置換を行うことが好ましい。さらに、最外殻に回る電子の軌道が類似している元素で置換することがさらに好ましく、上述した実施形態においては、Be、Mg、Ca、Sr、Baで一部置換する方法がよい。   In addition, it is preferable to substitute the ion which the tunnel material substitutes with the element of the same ion valence. Further, it is more preferable to substitute with an element having similar orbits of electrons that travel to the outermost shell. In the above-described embodiment, a method of partially replacing with Be, Mg, Ca, Sr, or Ba is preferable.

1、1A…磁気センサー、10…チャンネル層、20A、20B…強磁性層、22A、22B…トンネル層、30A、30B…参照電極、100A…磁気ヘッド。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1A ... Magnetic sensor, 10 ... Channel layer, 20A, 20B ... Ferromagnetic layer, 22A, 22B ... Tunnel layer, 30A, 30B ... Reference electrode, 100A ... Magnetic head.

Claims (11)

Siで構成されるチャンネル層と、
前記チャンネル層上に積層された強磁性層と、
前記チャンネル層と前記強磁性層との間に介在するように形成されたトンネル層と
を備え、
前記トンネル層が、NaCl構造のアルカリ土類酸化物で構成されており、かつ、該アルカリ土類酸化物のアルカリ土類イオンの一部が、異なる種類のアルカリ土類イオンに置換された、スピン伝導素子。
A channel layer made of Si;
A ferromagnetic layer stacked on the channel layer;
A tunnel layer formed so as to be interposed between the channel layer and the ferromagnetic layer,
The tunnel layer is composed of an alkaline earth oxide having a NaCl structure, and a part of the alkaline earth ions of the alkaline earth oxide is replaced with a different kind of alkaline earth ion. Conductive element.
前記トンネル層がMgOまたはBaOで構成されている、請求項1に記載のスピン伝導素子。   The spin transport device according to claim 1, wherein the tunnel layer is made of MgO or BaO. 前記トンネル層がMgOで構成され、前記トンネル層中のMgイオンが1〜6原子パーセントの割合でBeイオンに置換された、請求項2に記載のスピン伝導素子。   The spin transport device according to claim 2, wherein the tunnel layer is made of MgO, and Mg ions in the tunnel layer are replaced with Be ions at a rate of 1 to 6 atomic percent. 前記トンネル層がBaOで構成され、前記トンネル層中のBaイオンが1〜7原子パーセントの割合でMgイオンに置換された、請求項2に記載のスピン伝導素子。   The spin transport device according to claim 2, wherein the tunnel layer is made of BaO, and Ba ions in the tunnel layer are substituted with Mg ions at a rate of 1 to 7 atomic percent. 前記チャンネル層と前記トンネル層との界面の少なくとも一部が格子整合している、請求項1−4のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。   5. The spin transport device according to claim 1, wherein at least a part of an interface between the channel layer and the tunnel layer is lattice-matched. 前記トンネル層の膜厚が1.0〜2.5nmである、請求項1−5のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。   The spin transport device according to claim 1, wherein the tunnel layer has a thickness of 1.0 to 2.5 nm. 前記強磁性層が単磁区化されている、請求項1−6のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。   The spin transport device according to any one of claims 1 to 6, wherein the ferromagnetic layer has a single domain. 前記強磁性層が形状異方性により磁化の方位が固定されている、請求項7に記載のスピン伝導素子。   The spin transport device according to claim 7, wherein the magnetization direction of the ferromagnetic layer is fixed by shape anisotropy. 前記強磁性層は反強磁性膜で磁化の方位が固定されている、請求項7に記載のスピン伝導素子。   The spin transport device according to claim 7, wherein the ferromagnetic layer is an antiferromagnetic film and the magnetization direction is fixed. 前記強磁性層はシンセティック膜によって磁化の方位が固定されている、請求項7に記載のスピン伝導素子。   The spin transport device according to claim 7, wherein the ferromagnetic layer has a magnetization orientation fixed by a synthetic film. 請求項1−10のいずれか一項に記載のスピン伝導素子を備える、磁気ヘッド。   A magnetic head comprising the spin transport device according to claim 1.
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