JP2014107497A - スピン注入電極構造、及びスピン伝導素子 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チャンネル層とトンネル層、及びトンネル層と強磁性層との間の格子定数のずれによって生じる界面でのスピン散乱を抑制し、高出力を得るためのスピン注入電極構造、又はスピン伝導素子を提供する。
【解決手段】半導体チャンネル層上にトンネル層と強磁性層を設け、半導体チャンネル層と接する第一トンネル層の格子定数と、強磁性層と接する第二トンネル層の格子定数が異なり、さらに、第一トンネル層と第二トンネル層は、それぞれ異なる結晶系である。
【選択図】図４

Description

本発明は、スピン注入電極構造、及びスピン伝導素子に関する。

近年、半導体を用いたチャンネルにスピンを蓄積する技術が知られている。半導体を用いたチャンネルにおけるスピン拡散長は、金属を用いたチャンネルにおけるスピン拡散長よりも格段に長い。例えば下記非特許文献１〜４には、シリコンにスピンを注入する技術が記載されている。

特開２０１０−２３９０１１号公報

Tomoyuki Sasaki et al., Applied Physics Express 2, p053003-1〜053003-3, (2009) O. M. J. van't Erve et al., APPLIED PHYSICS LETTERS 91, p212109-1〜212109-3, (2007) Y. Ando et al., APPLIED PHYSICS LETTERS 94, p182105-1〜182105-3, (2009) Saroj P. Dash et al., nature, vol.462, p491〜494,(2009) T. Suzuki et al., AppliedPhysics Express 4, p023003-1〜023003-3, (2011)

シリコンでのスピンの注入・伝導・検出の応用のためには、室温での十分な出力特性を得ることが望まれている。例えば、上記非特許文献１〜３では、シリコンでのスピンの注入・伝導・検出が報告されているものの、いずれも１５０Ｋ以下の低温での事象である。また、上記非特許文献４では、３００Ｋでのシリコンでのスピンの蓄積が観測されているものの、室温においてシリコンでのスピンの伝導現象は観測されておらず、幅広い応用が期待できないのが現状である。一方、上記非特許文献５では、室温においてシリコンでのスピンの伝導現象が観測されているものの、出力特性は十分ではない。このように、室温において充分な出力特性が得られない理由の一つとしては、シリコンとトンネル層との間の格子定数のずれによって界面でのスピン散乱が誘発されてしまうことが考えられる。このような状況の中、シリコンに限らず、半導体において、室温で充分な出力特性が得られるスピンの伝導を実現する効果的なスピンの注入を実現することが望まれている。

シリコンとトンネル層との間の格子定数のずれによって界面でのスピン散乱を抑制する方法は特許文献１にも記載されている。界面においてスピン散乱を抑制することは、充分な出力特性に繋がる。特許文献１では、シリコン上に第一非晶質酸化マグネシウムを形成し、シリコンと酸化マグネシウムの間の格子不整合によるスピン散乱を抑制すること、及び、第一非晶質酸化マグネシウム上に第一結晶質酸化マグネシウムを形成し、一部コヒーレント効果を残すことで高出力化している。しかし、室温において充分な出力特性を得るには、トンネル層である酸化マグネシウムと第一強磁性層との界面においてもスピン散乱を抑制する必要がある。

一般的に、上記のような二層のトンネル層を形成する場合には、一方の材料が非晶質であり、結晶系は問題とならない。さらに、強磁性層に接するトンネル層材料としては、一般的にＭｇＯなどの結晶層が良いことが知られている。また、半導体チャンネル層に接するトンネル層材料としても、ＭｇＯなどのトンネル材料が知られているが、結晶質の場合は、半導体チャンネル層とトンネル材料の界面において、結晶格子の違いによる歪によってスピンが強く散乱されるために高出力化が実現できず、充分な出力特性が得られない。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、室温において従来よりも高出力な出力特性を得るため、半導体チャンネル層におけるスピンの効果的な注入を可能とする、スピン注入電極構造及びスピン伝導素子を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明のスピン注入電極構造は、半導体チャンネル層と、半導体チャンネル層上に設けられた第一トンネル層と、第一トンネル層上に設けられた第二トンネル層と、第二トンネル層上に設けられた強磁性層とを備え、第一トンネル層と第二トンネル層は格子定数が異なり、さらに第一トンネル層と第二トンネル層が異なる結晶系であることを特徴とする。

本発明では半導体チャンネル層に接する第一トンネル層の界面、および、強磁性層に接する第二トンネル層の界面は、結晶質であり、半導体チャンネル層と第一トンネル層の界面、および、第二トンネル層と強磁性層の界面を、第一トンネル層と第二トンネル層の界面よりも優先させ、異なる結晶系の材料を組み合わせることによって、従来よりも高出力な出力特性が得られた。

上記のように、異なる結晶系のトンネル層材料を積層した場合、トンネル層の界面では、それぞれの層を結晶化させるために界面における歪エネルギーを最小にする結晶格子緩衝領域が必要である。

上記結晶格子緩衝領域は非結晶質である。結晶格子緩衝領域を非晶質とすることによって、積層されるトンネル層が異なる結晶系であっても、結晶格子による歪を生じさせることなく形成することが可能であり、スピン散乱が抑制されるため、充分な出力特性が得られる。

結晶格子緩衝領域は、第一トンネル層と第二トンネル層の構成元素を一部、あるいは、全部を含む構成元素から成る。第一トンネル層と第二トンネル層は異なる結晶系であるが、トンネル層形成時に構成元素が拡散する。拡散した元素は、第一トンネル層と第二トンネル層の主の構成元素とはならず、第一トンネル層と第二トンネル層はそれぞれ所定の結晶構造になるが、第一トンネル層と第二トンネル層の界面付近では拡散した構成元素同士が混ざり合った非晶質の層となっている。

第一トンネル層及び第二トンネル層は、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｔｉのいずれかの元素を含む酸化物から構成される。これらの材料を選択した場合には、異なる結晶系のトンネル層を積層した場合においても高出力を得ることができる。

第一トンネル層は、スピネル構造である。半導体チャンネル層に対してスピネル構造を持つトンネル層は界面における結晶格子の歪が小さく、高出力を得ることができる。

第二トンネル層は、ＮａＣｌ構造である。トンネル層がＮａＣｌ構造の場合、強磁性層から注入されたスピンが高スピン分極率でトンネルし、高出力を得ることができる。

半導体チャンネル層は、シリコン、ゲルマニウム、あるいは、ガリウム砒素の何れかの材料からなる。これらの材料はスピン拡散長が長く、又、スピン抵抗が高いため、高出力を得ることができる。

上記のスピン注入電極構造を半導体チャンネル層の第一部分に設け、更に、前記半導体チャンネル層の第二部分上に設けられた第二トンネル層と、第二トンネル層上に設けられた第二強磁性層と、を備えたスピン伝導素子であることが好ましい。このような構造にすることで、スピン注入電極構造から注入されたスピンを別のスピン注入電極構造で検出することができる。これによって、磁気センサ、Ｓｐｉｎ−ＭＯＳＦＥＴ、あるいは、スピン伝導素子として機能する。

また、強磁性層の結晶構造は、体心立方格子構造（ＢＣＣ）であることが好適である。この場合、非磁性スピネル膜からなるトンネル層上に強磁性層を部分的にエピタキシャル成長させることができる。

また、強磁性層は、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉ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以上の元素とホウ素（Ｂ）とを含む化合物であることが好ましい。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、スピンの注入電極としての機能を好適に実現することが可能である。

さらに、強磁性層は、ホイスラー合金であることがより好ましい。強磁性層は、Ｘ_２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属でありＸの元素種をとることもでき、Ｚは、III族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ_２ＦｅＳｉやＣｏ_２ＭｎＳｉなどが挙げられる。

また、強磁性層上に形成された反強磁性層を更に備え、反強磁性層は、強磁性層の磁化の向きを固定することが好適である。反強磁性層が強磁性層と交換結合することにより、強磁性層の磁化方向に一方向異方性を付与することが可能となる。この場合、反強磁性層を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する強磁性層が得られる。

また、半導体チャンネル層に設けられたスピン注入電極構造の第一部分と第二部分の強磁性層とは、形状異方性によって保磁力差がつけられていることが好適である。この場合、保磁力差をつけるための反強磁性層を省略することができる。

一般的に、半導体チャンネル層には、導電性を付与するためのイオンが打ち込まれる。半導体チャンネル層の表面は、このイオンの打ち込みに起因するダメージが形成されるおそれがある。そこで、半導体チャンネル層は、第一部分と第二部分との間に表面から底部に向かってミリングによって窪みを形成し、その窪みの深さは１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好適である。

また、スピン伝導デバイスは、上述のスピン注入電極構造を有することが好適であり、室温での半導体チャンネル層におけるスピンの効果的な注入を可能とするスピン伝導素子デバイスを提供できる。

本発明によれば、従来のトンネル層よりも半導体チャンネルとトンネル層の界面におけるスピン散乱を抑制しつつ、トンネル層と強磁性層の界面におけるスピン散乱も同時に抑制でき、室温において従来よりも高出力な出力特性が得られ、半導体チャンネル層におけるスピンの効果的な注入を可能とするスピン注入電極構造、スピン伝導素子およびスピン伝導デバイスを提供できる。

図１は、本実施形態に係るスピン伝導素子の斜視図である。 図２（ａ）は、本実施形態に係るスピン伝導素子の上面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す領域Ｂの拡大図である。 図３は、図１のIII−III線に沿った断面図である。 図４は、第一トンネル層１３Ａ及び第二トンネル層１３Ｂと、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層１３Ｂの間の結晶格子緩和領域１６の構成図である。 図５は、ＮＬ測定法における印加磁場と電圧出力の関係を示すグラフである。 図６は、ＮＬ−Ｈａｎｌｅ測定法における印加磁場と電圧出力の関係を示すグラフである。 図７は、第一トンネル層１３Ａ及び第二トンネル層１３ＢをＥＤＸにて評価したスペクトルである。

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、必要に応じてＸＹＺ直交座標軸系が示されている。図１は、本実施形態に係るスピン伝導素子の斜視図である。図２（ａ）は、本実施形態に係るスピン伝導素子の上面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す領域Ｂの拡大図である。図３は、図１のIII−III線に沿った断面図である。

図３に示すように、スピン伝導素子１は、半導体としてシリコンを用いた場合において、シリコン基板１０と、酸化珪素膜１１と、シリコンチャンネル層１２と、第一トンネル層１３Ａと、第二トンネル層１３Ｂと、第三トンネル層１３Ｃと、第四トンネル層１３Ｄと、第一強磁性層１４Ａと、第二強磁性層１４Ｂと、第一参照電極１５Ａと、第二参照電極１５Ｂと、酸化膜７ａと、酸化膜７ｂと、を備える。シリコンチャンネル層１２と、第一トンネル層１３Ａと、第二トンネル層１３Ｂと、第一強磁性層１４Ａとが、スピン注入電極構造ＩＥを構成している。

図４に示すように、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層１３Ｂは積層した構造であり、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層１３Ｂの界面近傍には、結晶格子緩和領域１６が設けられている。結晶格子緩和領域１６は二つの構造をとる。一つは非結晶質の構造である。すなわち、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層１３Ｂの界面近傍では格子定数の差を解消するために、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層１３Ｂの一方、あるいは、両方のトンネル層の一部が非結晶化しているものであり、ＭＢＥ法で成膜した場合に形成される。もう一つは、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層１３Ｂの界面近傍で結晶化したまま混ざり合った構造である。この場合、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層１３Ｂの界面は不明瞭である。これはスパッタ法で形成した場合に形成されやすい。

基板１０、酸化珪素膜１１、およびシリコンチャンネル層１２として、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いることができる。基板１０はシリコン基板であり、酸化珪素膜１１は基板１０上に設けられている。酸化珪素膜１１の膜厚は例えば２００ｎｍである。また、シリコンチャンネル層１２は、シリコンの代わりにゲルマニウム、あるいは、ガリウム砒素を用いてもほぼ同様の結果が得られる。

シリコンチャンネル層１２は、スピンが伝導する層として機能する。シリコンチャンネル層１２の上面は例えば（１００）面である。シリコンチャンネル層１２は、例えばＺ軸方向（厚み方向）から見てＸ軸を長軸方向とする矩形状を有している。シリコンチャンネル層１２はシリコンからなり、シリコンチャンネル層１２には必要に応じて導電性を付与するための不純物イオンが添加されている。イオン濃度は、例えば５．０×１０^１９ｃｍ^−３である。シリコンチャンネル層１２の膜厚は例えば１００ｎｍである。あるいは、第一トンネル層１３Ａと、シリコンチャンネル層１２との界面におけるショットキー障壁を調整できるように、当該界面からシリコンチャンネル層１２における１０ｎｍの深さにイオン濃度のピークがあるような構造を有するシリコンチャンネル層１２でもよい。また、シリコンチャンネル層１２のイオン濃度が低い場合、酸化珪素膜１１に電圧を印加し、シリコンチャンネル層１２にキャリアを誘起させるなどの手法がある。

図３に示すように、シリコンチャンネル層１２は側面に傾斜部を有しており、その傾斜角θは５０度から６０度である。この傾斜角θとは、シリコンチャンネル層１２の底部と側面のなす角度である。なお、シリコンチャンネル層１２はウェットエッチングにより形成することができる。

図３に示すように、シリコンチャンネル層１２は、第一凸部（第一部分）１２Ａ、第二凸部（第二部分）１２Ｂ、第三凸部（第三部分）１２Ｃ、第四凸部（第四部分）１２Ｄ、および主部１２Ｅを含む。第一凸部１２Ａ、第二凸部１２Ｂ、第三凸部１２Ｃ、および第四凸部１２Ｄは、主部１２Ｅから突出するように延在する部分であり、この順に所定軸（図３に示す例ではＸ軸）方向に所定の間隔を置いて配列している。

第一凸部１２Ａ、第二凸部１２Ｂ、第三凸部１２Ｃ、および第四凸部１２Ｄの膜厚（図３に示す例ではＺ軸方向の長さ）Ｈ１は、例えば２０ｎｍである。主部１２Ｅの膜厚（図３に示す例ではＺ軸方向の長さ）Ｈ２は、例えば８０ｎｍである。第一凸部１２Ａと第三凸部１２Ｃとの間の距離Ｌ１は、例えば１００μｍ以下である。第一凸部１２ＡのＸ軸方向の長さの中央部と、第二凸部１２ＢのＸ軸方向の長さの中央部との間の距離ｄは、スピン拡散長以下であることが好ましい。室温（３００Ｋ）でのシリコンチャンネル層１２におけるスピン拡散長は例えば０．８μｍである。第一強磁性層１４Ａから第一凸部１２Ａに注入されたスピン、あるいは第二強磁性層１４Ｂから第二凸部１２Ｂに注入されたスピンは、主部１２Ｅにおける第一凸部１２Ａと第二凸部１２Ｂとの間の領域を拡散・伝導する。

第一トンネル層１３Ａおよび第二トンネル層１３Ｂは、第一強磁性層１４Ａのスピン分極と、シリコンチャンネル層１２のスピン分極とを効率的に接続するためのトンネル絶縁膜として機能する。第一トンネル層１３Ａは、シリコンチャンネル層１２の第一部分である第一凸部１２Ａ上に設けられている。第二トンネル層１３Ｂは第一トンネル層１３Ａ上に設けられ、第二トンネル層１３Ｂの上には第一強磁性層１４Ａが設けられている。このような構造により、第一強磁性層１４Ａまたは第二強磁性層１４Ｂからシリコンチャンネル層１２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１の電位出力を高めることが可能となる。

第一トンネル層１３Ａおよび第二トンネル層１３Ｂの合わせた膜厚は２．２ｎｍ以下であることが好ましい。この場合、得られるスピン出力に対して界面抵抗率を１ＭΩμｍ^２以下に低くしてノイズを抑えることができるので、スピンの注入や出力を好適に行える。また、第一トンネル層１３Ａおよび第二トンネル層１３Ｂの膜厚は、０．６ｎｍ以上であることが好適であり、この場合、シリコンチャンネル層１２上に均一に成膜された第一トンネル層１３Ａおよび第二トンネル層１３Ｂを用いることができる。

第一強磁性層１４Ａおよび第二強磁性層１４Ｂの一方は、シリコンチャンネル層１２にスピンを注入するための電極として機能し、他方は、シリコンチャンネル層１２内のスピンを検出するための電極として機能する。第一強磁性層１４Ａは、第二トンネル層１３Ｂ上に設けられている。第二強磁性層１４Ｂは、第四トンネル層１３Ｄ上に設けられている。

第一強磁性層１４Ａおよび第二強磁性層１４Ｂは強磁性材料からなる。第一強磁性層１４Ａおよび第二強磁性層１４Ｂの材料の一例として、ＣｏおよびＦｅ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以上の元素とホウ素（Ｂ）とからなる化合物があげられる。第一強磁性層１４Ａおよび第二強磁性層１４Ｂの結晶構造は、体心立方格子構造であることが好適である。これにより、第二トンネル層１３Ｂ上に第一強磁性層１４Ａを部分的にエピタキシャル成長させることができるとともに、第四トンネル層１３Ｄ上に第二強磁性層１４Ｂを部分的にエピタキシャル成長させることができる。但し、スパッタ法で形成した場合には強磁性材料はコバルト、鉄、ホウ素からなる合金を用い、成膜後にアニールを実施することによって、強磁性層およびトンネル層の結晶化が促進される。

図１に示す例では、第一強磁性層１４Ａおよび第二強磁性層１４Ｂは、Ｙ軸方向を長軸とした直方体形状を有している。第一強磁性層１４Ａおよび第二強磁性層１４Ｂの形状異方性によって、第一強磁性層１４Ａおよび第二強磁性層１４Ｂとは保磁力差が付けられていることが好適である。第一強磁性層１４Ａの幅（Ｘ軸方向の長さ）は、例えば３５０ｎｍ程度となっている。第二強磁性層１４Ｂの幅（Ｘ軸方向の長さ）は、例えば２μｍ程度となっている。図１に示す例では、第一強磁性層１４Ａの保磁力は、第二強磁性層１４Ｂの保磁力よりも大きくなっている。

第一参照電極１５Ａおよび第二参照電極１５Ｂは、シリコンチャンネル層１２に検出用電流を流すための電極としての機能と、スピンによる出力を読み取るための電極としての機能とを有する。第一参照電極１５Ａは、シリコンチャンネル層１２の第三凸部１２Ｃ上に設けられている。第二参照電極１５Ｂは、シリコンチャンネル層１２の第四凸部１２Ｄ上に設けられている。第一参照電極１５Ａ及び第二参照電極１５Ｂ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。

酸化膜７ａは、シリコンチャンネル層１２の側面に形成されている。また、酸化膜７ｂは、シリコンチャンネル層１２、酸化膜７ａ、第一トンネル層１３Ａ、第二トンネル層１３Ｂ、第三トンネル層１３Ｃ，第四トンネル層１３Ｄ、第一強磁性層１４Ａ、第二強磁性層１４Ｂ、第一参照電極１５Ａ、及び第二参照電極１５Ｂの側面上に形成されている。また、シリコンチャンネル層１２の上面のうち、第一強磁性層１４Ａ、第二強磁性層１４Ｂ、第一参照電極１５Ａ、および第二参照電極１５Ｂの設けられていない主部１２Ｅ上には、酸化膜７ｂが形成されている。酸化膜７ｂは、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層１３Ｂとの間において、シリコンチャンネル層１２の主部１２Ｅ上に設けられている。酸化膜７ｂは、シリコンチャンネル層１２、第一トンネル層１３Ａ、第二トンネル層１３Ｂ、第三トンネル層１３Ｃ、第四トンネル層１３Ｄ、第一強磁性層１４Ａ、第二強磁性層１４Ｂ、第一参照電極１５Ａ、および第二参照電極１５Ｂの保護膜として機能し、これらの層の劣化を抑制する。酸化膜７ｂは、例えば酸化珪素膜である。

図１に示すように、第一参照電極１５Ａ上及び酸化膜７ｂ（シリコンチャンネル層１２の傾斜した側面）上に、配線１８Ａが設けられている。同様に、第一強磁性層１４Ａ上及び酸化膜７ｂ上に、配線１８Ｂが設けられている。第二強磁性層１４Ｂ上及び酸化膜７ｂ上に、配線１８Ｃが設けられている。第二参照電極１５Ｂ上及び酸化膜７ｂ上に、配線１８Ｄが設けられている。配線１８Ａ〜１８Ｄは、Ｃｕなどの導電性材料からなる。酸化膜７ｂ上に配線を設けることにより、この配線によってシリコンチャンネル層１２内を伝導するスピンが吸収されることを抑制できる。また、酸化膜７ｂ上に配線を設けることにより、配線からシリコンチャンネル層１２へ電流が流れることを抑制でき、スピン注入効率を向上できる。また、配線１８Ａ〜１８Ｄのそれぞれの端部には、測定用の電極パッドＥ１〜Ｅ４が設けられている。配線１８Ａ〜１８Ｄの端部及び測定用の電極パッドＥ１〜Ｅ４は、酸化珪素膜１１上に形成されている。電極パッドＥ１〜Ｅ４は、Ａｕなどの導電性材料からなる。

図４は、第一トンネル層１３Ａ及び第二トンネル層１３Ｂの断面図である。第一トンネル層１３Ａ及び第二トンネル層１３Ｂの間には結晶格子緩和領域１６が形成されている。第一トンネル層１６Ａは、シリコンチャンネル層１２上に結晶成長しているか、あるいは、シリコンチャンネル層１２上に部分的に結晶成長している。同様に、第三トンネル層１３Ｃ及び第四トンネル層１３Ｄには結晶格子緩和領域１６が形成されている。第三トンネル層１６Ｃは、シリコンチャンネル層１２上に結晶成長しているか、あるいは、シリコンチャンネル層１２上に部分的に結晶成長している。

第一トンネル層１３Ａは、アルミニウム、亜鉛、シリコン、チタン、あるいは、マグネシウムを含むスピネル構造のトンネル層が適している。これらの材料が結晶化した場合にはコヒーレントトンネル効果によって高いスピン分極率を持ったトンネル層として機能する。
元素表記が、元素記号の場合と仮名表記の場合とで混在しているようです。統一した方が好ましいと思います。

第二トンネル層１３Ｂは、ＮａＣｌ構造からなるトンネル層が適している。特に、酸化マグネシウムの場合には高いスピン分極率が得られることから、スピネル構造のトンネル層よりも低抵抗で、高出力になる。

以下、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層１３Ｂの間に形成されている結晶格子緩和領域１６について説明する。前述したように、結晶格子緩和領域１６は、ＭＢＥ法によって、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層１３Ｂの界面で非結晶質の構造とする。または、スパッタ法とアニールを用いた方法によって、第一トンネル１３Ａと第二トンネル層１３Ｂの界面で結晶化したまま混ざり合った構造として形成される。

結晶格子緩和領域１６は、非結晶質構造であることが好ましい。この場合、お互いの結晶格子の違いに伴う格子歪みの影響を受けないため、高いスピン分極率が得られる。また、結晶格子緩和領域１６は、ＭＢＥ法で形成することが好ましい。ＭＢＥ法であることによって非結晶質構造が形成されやすく、さらに、非結晶質構造の膜厚が薄い状態で、第二トンネル層１３Ｂの結晶化が容易に形成できる。

また、結晶格子緩和領域１６は、別々の構造の層が結晶化したまま混ざり合った構造でも良い。この場合、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層１３Ｂは結晶化しているため、スピンはコヒーレントトンネルがしやすい。しかしながら、結晶格子緩和領域においてスピンが強く緩和してしまう。また、結晶格子緩和領域が別々の構造の層が結晶化したまま混ざり合った構造の場合の形成方法は、スパッタ法とアニールを併用した作成方法が好ましい。これはアニールを実施することによって結晶化が進むため、結晶格子緩和領域まで結晶化が進むという利点がある。

第一強磁性層１４Ａの結晶構造は、体心立方格子構造（ＢＣＣ）であることが好適である。第一強磁性層１４Ａの材料がＣｏおよびＦｅ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以上の元素とホウ素（Ｂ）とを含む化合物である場合、第一強磁性層１４Ａは第二トンネル層１３Ｂ上にエピタキシャル成長しやすくなる。

さらに、第一強磁性層１４Ａはホイスラー合金であることがより好ましい。ホイスラー合金（またはフルホイスラー合金とも言う）とは、Ｘ_２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物の総称であり、ここで、Ｘは周期表上で、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素である。ＹはＭｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属でありＸと同じ元素種をとることもできる。ＺはIII族からＶ族の典型元素である。ホイスラー合金Ｘ_２ＹＺはＸ・Ｙ・Ｚの規則性から３種類の結晶構造に分けられる。結晶の周期性を利用したＸ線回折等の分析により、３元素の区別ができるＸ≠Ｙ≠Ｚとなる最も規則性の高い構造がＬ２１構造、次に規則性の高いＸ≠Ｙ=Ｚとなる構造がＢ２構造、そして３元素の区別ができないＸ＝Ｙ＝Ｚとなる構造がＡ２構造である。

以下、本実施形態に係るスピン伝導素子１のＮＬ（非局所）測定法を用いる動作の一例について説明する。ＮＬ測定法では、図３に示すように、スピン伝導素子１は例えばＹ軸方向の外部磁場Ｂ１を検出する。第一強磁性層１４Ａの磁化方向Ｇ１（Ｙ軸方向）を第二強磁性層１４Ｂの磁化方向Ｇ２（Ｙ軸方向）と同一方向に固定する。また、図１に示すように、電極パッドＥ１及びＥ３を交流電流源７０に接続することにより、第一強磁性層１４Ａに検出用電流を流す。強磁性体である第一強磁性層１４Ａから、第二トンネル層１３Ｂ及び第一トンネル層１３Ａを介して、非磁性体のシリコンチャンネル層１２へ検出用電流が流れることにより、第一強磁性層１４Ａの磁化の向きＧ１に対応するスピンを有する電子がシリコンチャンネル層１２へ注入される。注入されたスピンは第二強磁性層１４Ｂ側へ拡散していく。このように、シリコンチャンネル層１２に流れる電流及びスピン流が、主に所定の軸（Ｘ軸）方向に流れる構造とすることができる。そして、外部磁場Ｂ１によって変化される第一強磁性層１４Ａの磁化の向き、すなわち電子のスピンと、シリコンチャンネル層１２の第二強磁性層１４Ｂと接する部分の電子のスピンとの相互作用により、シリコンチャンネル層１２と第二強磁性層１４Ｂの間において出力が発生する。この出力は、電極パッドＥ２及びＥ４に接続した出力測定器８０により検出する。

次に、本実施形態に係るスピン伝導素子１のＮＬ−Ｈａｎｌｅ測定法を用いる動作の一例を説明する。ＮＬ−Ｈａｎｌｅ測定法ではＨａｎｌｅ効果を利用する。Ｈａｎｌｅ効果とは、電流によって強磁性電極からチャンネルに注入されたスピンが他の強磁性電極に向かって拡散・伝導する際に、スピンの向きと垂直な方向から外部磁場が印加されたときに、ラーモア歳差を起こす現象である。ＮＬ−Ｈａｎｌｅ測定法では、図３に示すように、スピン伝導素子１は例えばＺ軸方向の外部磁場Ｂ２を検出する。第一強磁性層１４Ａの磁化方向Ｇ１（Ｙ軸方向）は、第二強磁性層１４Ｂの磁化方向Ｇ２（Ｙ軸方向）と同一方向に固定する。そして、第一強磁性層１４Ａおよび第一参照電極１５Ａを交流電流源７０に接続することにより、第一強磁性層１４Ａにスピンの検出用電流を流すことができる。強磁性体である第一強磁性層１４Ａから第一トンネル層１３Ａ及び第二トンネル層１３Ｂを介して、非磁性体のシリコンチャンネル層１２へ電流が流れることにより、第一強磁性層１４Ａ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シリコンチャンネル層１２の第一凸部１２Ａへ注入される。第一凸部１２Ａに注入されたスピンは、主部１２Ｅを通って第二強磁性層１４Ｂ側へ拡散していく。このように、シリコンチャンネル層１２に流れる電流およびスピン流が主にＸ軸方向に流れる構造となる。

ここで、シリコンチャンネル層１２に外部磁場Ｂ２を印加しないとき、すなわち外部磁場がゼロのとき、シリコンチャンネル層１２のうち第一強磁性層１４Ａと第二強磁性層１４Ｂ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１４Ｂの磁化の向きＧ２と同一方向のスピンが、シリコンチャンネル層１２における第二強磁性層１４Ｂ側の領域に拡散してくることとなる。従って、外部磁場がゼロのとき、出力（例えば抵抗出力や電圧出力）は極値となる。なお、電流や磁化の向きで極大値または極小値をとりうる。出力は、第二強磁性層１４Ｂおよび第二参照電極１５Ｂに接続した電圧測定器などの出力測定器８０により評価できる。

対して、シリコンチャンネル層１２に外部磁場Ｂ２を印加する場合を考える。外部磁場Ｂ２は、第一強磁性層１４Ａの磁化方向Ｇ１（図３の例ではＹ軸方向）および第二強磁性層１４Ｂの磁化方向Ｇ２（図３の例ではＹ軸方向）に対して垂直な方向（図３の例ではＺ軸方向）から印加する。外部磁場Ｂ２を印加すると、シリコンチャンネル層１２内を拡散・伝導するスピンの向きは、外部磁場Ｂ２の軸方向（図３の例ではＺ軸方向）を中心として回転する（いわゆるＨａｎｌｅ効果）。シリコンチャンネル層１２における第二強磁性層１４Ｂ側の領域まで拡散してきたときのこのスピンの回転の向きと、予め設定された第二強磁性層１４Ｂの磁化の向きＧ２、すなわちスピンの向きと、の相対角により、シリコンチャンネル層１２と第二強磁性層１４Ｂの界面の出力（例えば抵抗出力や電圧出力）が決定される。外部磁場Ｂ２を印加する場合、シリコンチャンネル層１２内を拡散するスピンの向きは回転するので、第二強磁性層１４Ｂの磁化の向きと向きが揃わない。よって、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Ｂ２を印加するときには極大値以下となる。また、出力は、外部磁場がゼロのときに極小値をとる場合、外部磁場Ｂ２を印加するときには極小値以上となる。

従って、ＮＬ−Ｈａｎｌｅ測定法では、外部磁場がゼロのときに出力のピークが現われ、外部磁場Ｂ２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Ｂ２の有無によって出力が変化するので、本実施形態に係るスピン伝導素子１は、例えば磁気センサとして使用できる。

また、上述のスピン伝導素子１を複数備えた磁気検出装置とすることができる。例えば、上述のスピン伝導素子１を複数並列あるいは複数積層して、磁気検出装置とすることができる。この場合、各スピン伝導素子１の出力を合算することができる。このような磁気検出装置は、例えば癌細胞などを検知する生体センサなどに適用できる。

また、上述のスピン注入電極構造ＩＥやスピン伝導素子１は、例えば磁気ヘッド、磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ）、論理回路、核スピンメモリ、量子コンピュータなどの種々のスピン伝導デバイスに用いることができる。

また、スピン検出部（第二強磁性層１４Ｂ、第三トンネル層１３Ｃ、第四トンネル層１３Ｄ、およびシリコンチャンネル層１２の第二凸部１２Ｂ）の構成は、上記実施形態に限定されず、例えば電流を流すことによってスピンを検出するものでもよい。

以下、実施例を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されない。また、上記はシリコンチャンネル層を例に出したが、シリコンをゲルマニウムやガリウム砒素に置き換えた例でもほぼ同様な結果が得られ、材料もシリコンに限定されるものではない。同様に、シリコンとゲルマニウムの化合物であってもよい。

（実施例１）
まず、基板、絶縁膜、及びシリコン膜からなるＳＯＩ基板を準備した。基板にはシリコン基板、絶縁膜には２００ｎｍの酸化珪素層を用い、シリコン膜は１００ｎｍであった。シリコン膜に導電性を付与するリンイオンの打ち込みを行った。その後、９００℃のアニールにより不純物を拡散させて、シリコン膜の電子濃度の調整を行った。この際、シリコン膜全体の平均電子濃度が５．０×１０^１９ｃｍ^−３となるようにした。

次いで、ＲＣＡ洗浄を用いて、ＳＯＩ基板の表面の付着物、有機物、及び自然酸化膜を除去した。その後、ＨＦ洗浄液を用いてＳＯＩ基板の表面を水素で終端させた。続いて、ＳＯＩ基板を分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置に搬入した。ベース真空度（積層処理を実際に施す前の装置内の真空度）を２．０×１０^−９Ｔｏｒｒ以下とした。ＳＯＩ基板の加熱によるフラッシング処理を行った。これにより、シリコン膜表面の水素を離脱させ、清浄表面を形成した。

続いて、ＭＢＥ法を用いて、シリコン膜上に第一トンネル層を形成した。まず、酸化アルミニウムを結晶化させて第一トンネル層１３Ａを形成し、次に酸化マグネシウムを結晶化させて第二トンネル層１３Ｂを形成した。酸化マグネシウム形成初期にはＲＨＥＥＤパターンが消失し、非結晶質の層が形成されたことを示している。その後、酸化マグネシウムの形成を続け、ＲＨＥＥＤパターンが得られることから形成終期には結晶化が進んでいることを確認した。その後、強磁性層として鉄膜、及び保護膜としてチタン膜をこの順に成膜し、積層体を得た。成膜時における真空度は５×１０^−８Ｔｏｒｒ以下であった。チタン膜は、強磁性層としての鉄膜の酸化による特性劣化を抑制するための保護膜である。

次いで、積層体の表面の洗浄を行った後、フォトリソグラフィ法およびリフトオフにより、Ｔａのアライメントマークを基板に形成した。続いて、マスクを用いて、シリコン膜を異方性ウェットエッチングによりパターニングした。これにより、側面に傾斜部を有するシリコンチャンネル層１２を得た。この際、シリコンチャンネル層１２のサイズは、２３μｍ×３００μｍであった。また、得られたシリコンチャンネル層１２の側面を酸化させて、酸化珪素膜（酸化膜７ａ）を形成した。

次いで、フォトリソグラフィ法を用いて、チタン膜、鉄膜、及びシリコンチャンネル層１２をパターニングすることにより、第一強磁性層１４Ａおよび第二強磁性層１４Ｂを形成した。露出したシリコンチャンネル層１２の一端側と他端側に、Ａｌ膜を形成し、第一参照電極１５Ａおよび第二参照電極１５Ｂをそれぞれ形成した。

更に、イオンミリングおよびエッチングを用いて、シリコンチャンネル層１２の表面のうち、第一強磁性層１４Ａ、第二強磁性層１４Ｂ、第一参照電極１５Ａおよび第二参照電極１５Ｂの形成されていない部分において、シリコンチャンネル層１２の表面から２０ｎｍの深さまでシリコンチャンネル層１２を掘り込んだ。これにより、シリコンチャンネル層１２は、第一凸部１２Ａ、第二凸部１２Ｂ、第三凸部１２Ｃ、第四凸部１２Ｄ、および主部１２Ｅを含む構造となった。第一凸部１２Ａ、第二凸部１２Ｂ、第三凸部１２Ｃ、および第四凸部１２Ｄは、この順にＸ軸方向に所定の間隔を置いて配列され、主部１２Ｅから突出するように延在する部分である。第一凸部１２Ａ、第二凸部１２Ｂ、第三凸部１２Ｃ、および第四凸部１２Ｄの膜厚Ｈ１は、１０ｎｍであった。このような構造により、シリコンチャンネル層１２となるシリコン膜に、導電性を付与するイオンの打ち込みの際に形成された表面ダメージが除去された。

さらに、酸化膜７ａ、第一トンネル層１３Ａ、第二トンネル層１３Ｂ、第三トンネル層１３Ｃ、第四トンネル層１３Ｄ、第一強磁性層１４Ａ、第二強磁性層１４Ｂ、第一参照電極１５Ａおよび第二参照電極１５Ｂの側面上と、シリコンチャンネル層１２の上面のうち、第一強磁性層１４Ａ、第二強磁性層１４Ｂ、第一参照電極１５Ａおよび第二参照電極１５Ｂの形成されていない主部１２Ｅ上とに、酸化珪素膜（酸化膜７ｂ）を形成した。

次に、第一強磁性層１４Ａ、第二強磁性層１４Ｂ、第一参照電極１５Ａおよび第二参照電極１５Ｂ上に配線１８Ａ〜１８Ｄをそれぞれ形成した。配線１８Ａ〜１８Ｄとして、Ｔａ（厚さ１０ｎｍ）、Ｃｕ（厚さ５０ｎｍ）、及びＴａ（厚さ１０ｎｍ）の積層構造を用いた。さらに、各配線１８Ａ〜１８Ｄの端部にそれぞれ電極パッドＥ１〜Ｅ４を形成した。電極パッドＥ１〜Ｅ４として、Ｃｒ（厚さ５０ｎｍ）とＡｕ（厚さ１５０ｎｍ）の積層構造を用いた。このようにして、図１〜４に示すスピン伝導素子１と同様の構成を有する実施例１のスピン伝導素子を作成した。

（ＮＬ測定の結果）
ＮＬ測定法では、実施例１で作製したスピン伝導素子において、第一強磁性層１４Ａの磁化方向Ｇ１および第二強磁性層１４Ｂの磁化方向Ｇ２を外部磁場Ｂ１の磁化方向と同一方向（図３に示すＹ軸方向）に固定した。このスピン伝導素子に対して、第一強磁性層１４Ａおよび第二強磁性層１４Ｂの磁化方向と平行な方向（Ｙ軸方向）から外部磁場Ｂ１を印加した。交流電流源７０からの検出用電流を第一強磁性層１４Ａへ流すことにより、第一強磁性層１４Ａからシリコンチャンネル層１２へスピンを注入した。そして、外部磁場Ｂ１による磁化変化に基づく出力を出力測定器８０により測定した。この際、測定はいずれも室温にて行った。

図５は、ＮＬ測定法における印加磁場と電圧出力の関係を示すグラフである。図５のＦ１は、外部磁場Ｂ１をマイナス側からプラス側に変化させた場合を示し、図５のＦ２は、外部磁場Ｂ１をプラス側からマイナス側に変化させた場合を示す。図５のＦ１及びＦ２に示されるように、スピン伝導素子では、約１２．８μＶの電圧出力であった。

（ＮＬ−Ｈａｎｌｅ測定の結果）
ＮＬ−Ｈａｎｌｅ測定法では、実施例１で作製したスピン伝導素子において、印加する外部磁場Ｂ２の方向（図３に示すＺ軸方向）を第一強磁性層１４Ａの磁化方向（図３に示すＹ軸方向）Ｇ１および第二強磁性層１４Ｂの磁化方向（図３に示すＹ軸方向）Ｇ２と垂直方向とした。図６は、ＮＬ−Ｈａｎｌｅ測定法における印加磁場と電圧出力の関係を示すグラフである。図６は、第一強磁性層１４Ａの磁化方向を第二強磁性層１４Ｂの磁化方向と平行に固定した場合の測定結果である。

図６の測定結果からわかるように、外部磁場Ｂ２の印加によって、シリコンチャンネル層を伝導しているスピンが回転・減衰を起こしていることがわかる。したがって、図６の測定結果はスピン伝導によって生じた信号である。

（膜の解析）
トンネル層の評価は、断面ＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｏｒｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）、ＸＲＤ（Ｘ Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）、および、ＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−Ｒaｙ ａｎａｌｙｓｉｓ）によって解析した。断面ＴＥＭの結果からトンネル層の厚さは２．２ｎｍであった。また、トンネル層内に非結晶質の層が形成されており、非結晶質の結晶格子緩和領域が形成されていた。

また、断面ＴＥＭの写真からトンネル層部分を切り出して、フリーエ解析を行い、ブラッグ点を解析することで格子定数を見積もった。トンネル層がシリコンチャンネル層と接する部分、トンネル層が強磁性層と接する部分、シリコンチャンネル層に接する部分と強磁性層に接する部分の中間部分をサンプリングした。その結果、トンネル層がシリコンチャンネル層と接する部分の格子定数は、７．８Åであった。この格子定数はスピネル構造のγ型アルミニウム酸化物であることを示している。さらに、トンネル層が強磁性層と接する部分の格子定数は、４．２Åであった。この格子定数はＮａＣｌ構造のマグネシウムを主成分とする酸化物であることを示している。このことから、第一トンネル層１３Ａは、スピネル構造の酸化アルミニウムであり、第二トンネル層１３Ｂは、ＮａＣｌ構造の酸化マグネシウムであることがわかる。

さらに、ＥＤＸにてマグネシウム、アルミニウム、酸素、鉄、及び、シリコンの分析を行った。図７に示したように、アルミニウムのピークとマグネシウムのピークが別々の位置にあり、お互いのピークが重なる位置でそれぞれのピーク形状に肩をもった形状が生じていることから、結晶格子緩和領域ではアルミニウムとマグネシウムがそれぞれ含まれていることを示している。

（実施例２）
実施例１と同様に素子作成を行った。但し、第二トンネル層１３Ｂとして、マグネシウムとアルミニウムからなる非磁性スピネル層を形成した。トンネル層の評価は断面ＴＥＭ及びＥＤＸにて実施した。断面ＴＥＭの結果からトンネル層の厚さは２．０ｎｍであった。また、第一トンネル層１３Ａは、スピネル構造の酸化アルミニウムからなり、第二トンネル層１３Ｂは、スピネル構造のマグネシウムとアルミニウムの酸化物であることを確認した。さらに、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層１３Ｂの間にはアモルファス構造が混ざった結晶格子緩和領域１６が形成されていることを確認した。

（実施例３）
実施例１と同様に素子作成を行った。但し、第二トンネル層１３Ｂとして、亜鉛とアルミニウムからなる非磁性スピネル層を形成した。トンネル層の評価は断面ＴＥＭ及びＥＤＸにて実施した。断面ＴＥＭの結果からトンネル層の厚さは２．０ｎｍであった。また、第一トンネル層１３Ａはスピネル構造の酸化アルミニウムからなり、第二トンネル層１３Ｂはスピネル構造の亜鉛とアルミニウムの酸化物であることを確認した。さらに、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層１３Ｂの間にはアモルファス構造が混ざった結晶格子緩和領域１６が形成されていることを確認した。

（比較例１）
実施例１と同様に素子作成を行った。但し、第二トンネル層１３Ｂはスパッタ法を用いて形成した。さらに、強磁性層にはコバルト、鉄、ホウ素からなる合金を用いた。積層膜を形成後、２３０℃で３時間のアニールを実施した。

トンネル層の評価は断面ＴＥＭにて実施した。断面ＴＥＭの結果からトンネル層の厚さは２．２ｎｍであった。また、断面ＴＥＭから第二トンネル層１３Ｂは、結晶化が確認されず、アモルファス構造であった。

（比較例２）
実施例１と同様に素子作成を行った。但し、第一トンネル層１３Ａは形成せず、酸化マグネシウムからなる第二トンネル層１３ＢのみをＭＢＥ法にて形成した。

トンネル層の評価は断面ＴＥＭにて実施した。断面ＴＥＭの結果からトンネル層の厚さは２．０ｎｍであった。フリーエ解析を行って、ブラッグ点を解析することで格子定数を見積もった。格子定数が４．２Åであった。この格子定数はＮａＣｌ構造の酸化マグネシウムであることがわかる。

（比較例３）
実施例１と同様に素子作成を行った。但し、第二トンネル層１３Ｂは酸化タンタルとし、ＭＢＥ法によって形成した。

トンネル層の評価は断面ＴＥＭにて実施した。断面ＴＥＭの結果からトンネル層の厚さは２．５ｎｍであった。また、断面ＴＥＭから第一トンネル層１３Ａの結晶化は観測されたが、第二トンネル層１３Ｂは非結晶質であった。

このようにして得られたスピン伝導素子について、ＮＬ測定法でスピン出力を測定した。
結果を表１に示す。

ＩＥ…スピン注入電極構造、１…スピン伝導素子、１０…基板、１１…酸化珪素膜、１２…シリコンチャンネル層、１３Ａ…第一トンネル層、１３Ｂ…第二トンネル層、１４Ａ…第一強磁性層、１４Ｂ…第二強磁性層、１５Ａ…第一参照電極、１５Ｂ…第二参照電極、７０…交流電流源、８０…出力測定器。

Claims (8)

1. 半導体チャンネル層と、
   前記半導体チャンネル層上に設けられた第一トンネル層と、
   前記第一トンネル層上に設けられた第二トンネル層と、
   前記第二トンネル層上に設けられた強磁性層と、を備え、
   前記第一トンネル層と前記第二トンネル層は格子定数が異なり、前記第一トンネル層と前記第二トンネル層は異なる結晶系であることを特徴とするスピン注入電極構造。
2. 前記第一トンネル層と前記第二トンネル層の間に結晶格子緩衝領域が設けられた請求項１に記載のスピン注入電極構造。
3. 前記結晶格子緩衝領域は、非結晶質である請求項１〜２のいずれか一項に記載のスピン注入電極構造。
4. 前記結晶格子緩衝領域は、前記第一トンネル層と前記第二トンネル層の構成元素を一部、あるいは、全部を含む構成元素である請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピン注入電極構造。
5. 前記第一トンネル層及び前記第二トンネル層は、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｔｉのいずれかの元素を含む酸化物から構成される、請求項１〜４に記載のスピン注入電極構造。
6. 前記第一トンネル層は、スピネル構造である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピン注入電極構造。
7. 前前記第二トンネル層は、ＮａＣｌ構造である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピン注入電極構造。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のスピン注入電極構造を有するスピン伝導素子。

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