JP2014154612A - Spin injection electrode structure and spin conduction element including the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スピン注入電極構造とそれを用いたスピン伝導素子に関するものである。 The present invention relates to a spin injection electrode structure and a spin transport device using the same.
最近、半導体におけるスピン伝導現象が、多くの注目を集めている。半導体中のスピン拡散長は、金属中のスピン拡散長に比べて格段に長いため、出力及び回路の観点において、多様な使い方が出来る優位性がある。なかでも、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革新的な機能を付加することができる。例えば、特許文献1に開示されているspin−MOSFETがあげられる。 Recently, the spin conduction phenomenon in semiconductors has attracted much attention. Since the spin diffusion length in a semiconductor is much longer than the spin diffusion length in a metal, there is an advantage that it can be used in various ways from the viewpoint of output and circuit. Above all, silicon is a material that is the center of today's main semiconductor products. If silicon-based spintronics can be realized, innovative functions can be added to silicon devices without abandoning existing technologies. For example, a spin-MOSFET disclosed in Patent Document 1 can be given.
シリコンベースのスピン伝導素子を実現するためには、室温において十分な出力特性を得ることが望まれる。そのためには、シリコンへの高効率なスピン注入・蓄積が必須であり、強磁性層/シリコン界面にトンネルバリア層を挿入する積層構造が期待されている。 In order to realize a silicon-based spin transport device, it is desired to obtain sufficient output characteristics at room temperature. For this purpose, high-efficiency spin injection / accumulation into silicon is indispensable, and a laminated structure in which a tunnel barrier layer is inserted at the ferromagnetic layer / silicon interface is expected.
トンネルバリア層の材料としては、Al2O3(非特許文献1)、SiO2(非特許文献2)、及びMgO(非特許文献3)が知られており、いずれも従来からスピントロニクスにおいて代表的な材料である。なかでも、MgOはコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入するためのトンネルバリア層として適していると考えられている。実際、シリコンにおける室温スピン伝導現象は、強磁性層としてFe、トンネルバリア層としてMgOを用いた積層構造において観測された実績がある(非特許文献4)。しかしながら、依然として出力特性は理論値に及んでいないため、スピン注入効率のさらなる改善が期待されている。 As the material of the tunnel barrier layer, Al 2 O 3 (Non-patent Document 1), SiO 2 (Non-patent Document 2), and MgO (Non-patent Document 3) are known, all of which have been representative in spintronics. Material. Among these, MgO is considered to be suitable as a tunnel barrier layer for efficiently injecting spin because MgO is a material that can realize a coherent tunnel. In fact, the room temperature spin conduction phenomenon in silicon has been observed in a laminated structure using Fe as a ferromagnetic layer and MgO as a tunnel barrier layer (Non-Patent Document 4). However, since the output characteristic still does not reach the theoretical value, further improvement of the spin injection efficiency is expected.
スピン注入効率を低下させている原因のひとつとして、トンネルバリア層/シリコン接合の格子不整合が挙げられる。格子不整合は、積層する2つの層の材料固有のパラメータ(格子定数)から計算され、例えば、MgO/シリコン接合の場合、キュービック・オン・キュービック成長した場合(cubic on cubic)で−22.4%、面内で45度回転して成長した場合(45deg rotation)で+9.7%であり、格子不整合はいずれも大きい。格子不整合が大きいと、接合界面にダングリングボンドが残り、生成した欠陥準位がスピンを捕獲・散乱してしまうと考えられる。 One of the causes for reducing the spin injection efficiency is the lattice mismatch of the tunnel barrier layer / silicon junction. The lattice mismatch is calculated from the material-specific parameters (lattice constant) of the two layers to be stacked. For example, in the case of an MgO / silicon junction, cubic on cubic grows to −22.4. %, When grown by rotating 45 degrees in the plane (45 degrees rotation), it is + 9.7%, and the lattice mismatch is large. If the lattice mismatch is large, dangling bonds remain at the junction interface, and the generated defect levels are thought to capture and scatter spins.
スピン伝導素子を磁気ヘッドやspin−MOSFETなどのデバイスに応用する場合、素子単体の特性として高い出力値だけでなく、低い抵抗値(面積抵抗値:RA)を併せ持つことが要求されている。素子の低抵抗化は、微細化・高集積化した際の低消費電力・低電圧駆動だけでなく、周辺回路とのインピーダンス整合による高周波応答特性の向上を実現するために不可欠である。 When a spin transport element is applied to a device such as a magnetic head or a spin-MOSFET, it is required to have not only a high output value but also a low resistance value (area resistance value: RA) as a characteristic of the element alone. The low resistance of the element is indispensable not only for realizing low power consumption and low voltage driving when miniaturization and high integration, but also for improving high frequency response characteristics by impedance matching with peripheral circuits.
一般的に、スピン伝導素子の低抵抗化のためには、トンネルバリア層の膜厚を薄くすることが有効である。しかしながら、トンネルバリア層の膜厚を薄くしすぎると、ピンホールが発生することによりノイズの増大や出力の低下といった特性の劣化が発生したり、トンネルバリア層の耐圧が不十分となり絶縁破壊を起こしたりするという問題が生じやすくなる。そのため、スピン注入電極構造に用いられるトンネルバリア層には、膜厚を薄くすることなく低抵抗化を実現し、高いスピン注入効率を維持することができる、新たな仕様の材料の適用が望まれている。 In general, it is effective to reduce the thickness of the tunnel barrier layer in order to reduce the resistance of the spin transport device. However, if the tunnel barrier layer is made too thin, pinholes can cause pinholes that can lead to degradation of characteristics such as increased noise and decreased output, and the breakdown voltage of the tunnel barrier layer can be insufficient, causing dielectric breakdown. Problem is likely to occur. Therefore, the tunnel barrier layer used in the spin injection electrode structure should be made of a material with a new specification that can achieve low resistance without reducing the film thickness and maintain high spin injection efficiency. ing.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、スピン注入効率を悪化させることなく素子抵抗の低下を実現可能とするスピン注入電極構造と、それを用いたスピン伝導素子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 provides a spin injection electrode structure capable of realizing a reduction in device resistance without deteriorating spin injection efficiency, and a spin transport device using the same. The purpose is to do.
本発明に係るスピン注入電極構造は、半導体チャンネル層と、前記半導体チャンネル層上に形成されたトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層上に形成された強磁性層とを備えており、前記トンネルバリア層は、立方晶系のスピネル型結晶構造を有する酸化アルミニウムを主成分とし、亜鉛イオンまたはマグネシウムイオンを含むことを特徴とする。 A spin injection electrode structure according to the present invention includes a semiconductor channel layer, a tunnel barrier layer formed on the semiconductor channel layer, and a ferromagnetic layer formed on the tunnel barrier layer, and the tunnel barrier The layer is mainly composed of aluminum oxide having a cubic spinel crystal structure and contains zinc ions or magnesium ions.
また、前記トンネルバリア層は、前記酸化アルミニウムに、亜鉛イオンまたはマグネシウムイオンが置換固溶していることを特徴とする。 The tunnel barrier layer is characterized in that zinc ions or magnesium ions are substituted and dissolved in the aluminum oxide.
また、前記トンネルバリア層は、前記トンネルバリア層における亜鉛イオンの陽イオン分率が10〜33mol%の範囲であることを特徴とする。 The tunnel barrier layer is characterized in that the cation fraction of zinc ions in the tunnel barrier layer is in the range of 10 to 33 mol%.
また、前記トンネルバリア層は、前記トンネルバリア層におけるマグネシウムイオンの陽イオン分率が20〜33mol%の範囲であることを特徴とする。 The tunnel barrier layer is characterized in that the cation fraction of magnesium ions in the tunnel barrier layer is in the range of 20 to 33 mol%.
本発明に係るスピン伝導素子は、前記スピン注入電極構造からなるスピン注入電極と、半導体チャンネル層と、スピンを検出するスピン検出電極とを備えたことを特徴とする。 A spin transport device according to the present invention includes a spin injection electrode having the spin injection electrode structure, a semiconductor channel layer, and a spin detection electrode for detecting spin.
本発明によれば、接合界面における格子不整合が小さく、結晶性が良好でありながら、抵抗率を低下させたトンネルバリア層を備えたスピン注入電極構造を得ることができる。これにより、半導体チャンネルへの高効率なスピン注入を維持しながら素子単体の低抵抗化が可能となり、素子特性の信頼性を向上させるとともに、高周波応答特性を向上させたスピン伝導素子が提供できる。 According to the present invention, it is possible to obtain a spin injection electrode structure including a tunnel barrier layer having a reduced resistivity while having a small lattice mismatch at the junction interface and good crystallinity. As a result, the resistance of the single element can be reduced while maintaining highly efficient spin injection into the semiconductor channel, and it is possible to provide a spin transport element with improved element characteristics and improved high-frequency response characteristics.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、スピン伝導素子1の斜視図である。図2は、図1におけるIII−III線に沿った断面図である。 FIG. 1 is a perspective view of the spin transport element 1. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG.
図2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として、シリコン基板10上に、シリコン酸化膜11、及びシリコンチャンネル層12をこの順に備えている。また、シリコンチャンネル層12上には、第一強磁性層14A、第一非磁性電極15A、第二強磁性層14B、及び第二非磁性電極15B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。また、シリコンチャンネル層12と、第一強磁性層14A及び第二強磁性層14Bとの間には、トンネルバリア層13A及びトンネルバリア層13Bがそれぞれ設けられている。シリコンチャンネル層12と、トンネルバリア膜13A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。
As shown in FIG. 2, the spin transport device 1 includes a
シリコン基板10、シリコン酸化膜11、及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。シリコン酸化膜11の膜厚は例えば200nmである。
As the
シリコンチャンネル層12には、シリコンに導電性を付与するためのドーパントが添加されたものが用いられる。ドーパント濃度は、1.0×1016〜1.0×1022cm−3とすることができる。シリコンチャンネル層12の膜厚は例えば100nmである。シリコンチャンネル層12は、所定濃度のデルタドープが施された積層構造チャンネルであってもよい。デルタドープとは、ドーパントを均一に拡散させるドーピングとは異なり、界面から数nm程度の極めて薄い領域に高いドーパント濃度でドーピングを施すことを意味している。
As the
図2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、シリコンチャンネル層12の上面は(001)面であることが好ましい。
As shown in FIG. 2, the
図2に示すように、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、及び主部12Eを含む。第一凸部12A、第二凸部12B、第三凸部12C、及び第四凸部12Dは、主部12Eから突出するように延在する部分であり、X軸方向に所定の間隔を置いて配置されている。
As shown in FIG. 2, the
第一凸部12A、第二凸部12B、第三凸部12C、及び第四凸部12Dの膜厚H1は、例えば20nmである。主部12Eの膜厚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およそ0.8μmである。
The film thickness H1 of the
トンネルバリア層13A及び13Bは、酸化アルミニウムを主成分とし、亜鉛イオンまたはマグネシウムイオンを含んだ材料で構成される。ここで本願において主成分とは、トンネルバリア層を構成するアルミニウムイオンの陽イオン分率が50mol%以上であることを意味する。 The tunnel barrier layers 13A and 13B are made of a material containing aluminum oxide as a main component and containing zinc ions or magnesium ions. Here, the main component in the present application means that the cation fraction of aluminum ions constituting the tunnel barrier layer is 50 mol% or more.
トンネルバリア層13A及び13Bにおける亜鉛イオンまたはマグネシウムイオンの陽イオン分率は、33mol%以下であることが好ましい。このような組成範囲で含有された亜鉛イオンまたはマグネシウムイオンは、主成分である酸化アルミニウムに対して置換固溶した(酸化亜鉛または酸化マグネシウムが単独析出していない)形態となっている。トンネルバリア層における亜鉛イオンまたはマグネシウムイオンの陽イオン分率が、33mol%を超えると、陽イオンが、格子間位置に存在したり、局所的に集中したりし、トンネルバリア層の結晶構造が悪化し、また、トンネルバリア層中に異なる結晶構造を有するドメインが発生するため、高いスピン注入効率を得られなくなる。 The cation fraction of zinc ions or magnesium ions in the tunnel barrier layers 13A and 13B is preferably 33 mol% or less. Zinc ions or magnesium ions contained in such a composition range are in the form of substitutional solid solution with respect to the main component aluminum oxide (zinc oxide or magnesium oxide is not separately deposited). When the cation fraction of zinc ions or magnesium ions in the tunnel barrier layer exceeds 33 mol%, cations are present at interstitial positions or locally concentrated, and the crystal structure of the tunnel barrier layer is deteriorated. In addition, since domains having different crystal structures are generated in the tunnel barrier layer, high spin injection efficiency cannot be obtained.
トンネルバリア層13A及び13Bにおける亜鉛イオンの陽イオン分率は、10mol%以上であることが好ましい。亜鉛イオンを含有することにより、トンネルバリアのバンドギャップを相対的に小さくすることが可能となり、トンネルバリア層の膜厚を薄くすることなく素子単体を低抵抗化することができる。亜鉛イオンの陽イオン分率が10mol%未満の場合は、必ずしも低抵抗化を実現できるとは限らない。 The cation fraction of zinc ions in the tunnel barrier layers 13A and 13B is preferably 10 mol% or more. By containing zinc ions, the band gap of the tunnel barrier can be relatively reduced, and the resistance of the single element can be reduced without reducing the thickness of the tunnel barrier layer. When the cation fraction of zinc ions is less than 10 mol%, it is not always possible to realize low resistance.
トンネルバリア層13A及び13Bにおけるマグネシウムイオンの陽イオン分率は、20mol%以上であることが好ましい。マグネシウムイオンを含有することにより、トンネルバリアのバンドギャップを相対的に小さくすることが可能となり、トンネルバリア層の膜厚を薄くすることなく素子単体を低抵抗化することができる。マグネシウムイオンの陽イオン分率が20mol%未満の場合は、必ずしも低抵抗化を実現できるとは限らない。 The cation fraction of magnesium ions in the tunnel barrier layers 13A and 13B is preferably 20 mol% or more. By containing magnesium ions, the band gap of the tunnel barrier can be relatively reduced, and the resistance of the element alone can be reduced without reducing the thickness of the tunnel barrier layer. When the cation fraction of magnesium ions is less than 20 mol%, it is not always possible to realize low resistance.
トンネルバリア層13A及び13Bは、シリコンチャンネル層の第一凸部12A及び第二凸部12B上において、エピタキシャル成長しており、立方晶系のスピネル型結晶構造(一般化学式:AB2O4)を含んでいる。トンネルバリア層に含まれる亜鉛イオンまたはマグネシウムイオンは、スピネル型結晶構造(一般化学式:AB2O4)のAサイト(四面体サイト)に配置され、結晶構造を悪化させることなく含有されていると考えられる。この際、トンネルバリア層の格子定数(a)は、立方晶のスピネル型結晶構造を有するγ−Al2O3の格子定数(a=7.91Å)からZnAl2O4またはMgAl2O4の格子定数(a=8.09Å)までの範囲内となるため、シリコン(a=5.43Å)に対する格子不整合は+3.0〜+5.2%(45deg rotation)となる。トンネルバリア層/シリコン接合の格子不整合が比較的小さく保たれ、接合界面に存在する格子欠陥が比較的少ない積層構造を得られることにより、高いスピン注入効率を維持することができる。
The tunnel barrier layers 13A and 13B are epitaxially grown on the first
トンネルバリア層13A及び13Bの膜厚は、0.6nm以上2.0nm以下であることが好ましい。これにより、結晶欠陥(ミスフィット転位)が少ない良質なエピタキシャル膜を得ることができるため、コヒーレントトンネルが実現できる。なお、0.6nm未満の場合、格子定数以下の膜厚となり、膜質や耐圧が不十分となってしまうため、信頼性の確保などの観点から好ましくない。また、2.0nmを超えた場合、素子抵抗が高くなりすぎて、微細化・高集積化した際の低消費電力・低電圧駆動が不可能になるだけでなく、高周波応答特性が悪化してしまう。 The film thickness of the tunnel barrier layers 13A and 13B is preferably 0.6 nm or more and 2.0 nm or less. As a result, a good-quality epitaxial film with few crystal defects (misfit dislocations) can be obtained, so that a coherent tunnel can be realized. If the thickness is less than 0.6 nm, the film thickness is less than the lattice constant and the film quality and withstand voltage are insufficient, which is not preferable from the viewpoint of ensuring reliability. In addition, if it exceeds 2.0 nm, the element resistance becomes too high, and not only low power consumption and low voltage driving when miniaturization / high integration is achieved, but also high frequency response characteristics deteriorate. End up.
第一強磁性層14A及び第二強磁性層14Bは、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を伝導してきた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、トンネルバリア層13A上に設けられている。第二強磁性層14Bは、トンネルバリア層13B上に設けられている。
One of the first
第一強磁性層14A及び第二強磁性層14Bの材料は、例えば、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択された少なくとも一種の元素から構成される。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、スピン注入電極またはスピン検出電極としての機能を好適に実現することが可能である。
The material of the first
第一強磁性層14A及び第二強磁性層14Bは、体心立方格子(bcc)構造の結晶構造を有していることが好ましい。また、ホイスラー合金層(X2YZの組成で、L21構造と呼ばれる規則構造を有する高スピン偏極材料)を含んでいてもよい。これにより、トンネルバリア層上に強磁性層を所定の結晶方位でエピタキシャル成長させることができるため、スピン分極率をさらに増大させることができる。
The first
第一強磁性層14Aと第二強磁性層14Bは、保磁力(反転磁場)の差が設けられていることが好ましい。図1に示す例では、第一強磁性層14A及び第二強磁性層14Bは、Y軸方向を長軸とした直方体形状を有しており、形状異方性(アスペクト比の違い)によって保磁力差を付けている。第一強磁性層14Aの幅(X軸方向の長さ)は、例えば350nm程度である。第二強磁性層14Bの幅(X軸方向の長さ)は、例えば2μm程度である。
The first
第一強磁性層14A及び第二強磁性層14Bは、一方に反強磁性層を備えることにより、一方の強磁性層の磁化が一方向に固定されている態様であってもよい。さらに、シンセティックピンド構造によって反強磁性層との交換結合を強化している態様であってもよい。また、バイアス磁界印加層を隣接させるなどして、強磁性層を単磁区化させている態様であってもよい。
The first
第一非磁性電極15A及び第二非磁性電極15Bは、一方は、シリコンチャンネル層12にスピン偏極電流を流す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を伝導してきたスピンを電圧出力として検出するための電極として機能する。第一非磁性電極15A及び第二非磁性電極15Bは、シリコンチャンネル層12の第三凸部12C及び第四凸部12D上にそれぞれ設けられている。第一非磁性電極15A及び第二非磁性電極15Bは、例えばAlなどのSiに対して低抵抗な非磁性金属が好ましい。
One of the first nonmagnetic electrode 15 </ b> A and the second nonmagnetic electrode 15 </ b> B functions as an electrode for causing a spin-polarized current to flow through the
保護膜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、保護膜7bは、シリコンチャンネル層12、保護膜7a、トンネルバリア層13A、トンネルバリア層13B、第一強磁性層14A、第二強磁性層14B、第一非磁性電極15A、及び第二非磁性電極15Bの側面に形成されている。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、第一非磁性電極15A、及び第二非磁性電極15Bの設けられていない主部12E上には、保護膜7bが形成されている。保護膜7a及び7bは、シリコンチャンネル層12を絶縁分離するとともに、配線などによるスピンの吸収を抑制するために形成される。また、トンネルバリア層13A、13Bの劣化を抑制するための保護膜としても機能する。保護膜7a及び7bの材料は、例えばSiO2である。
The protective film 7 a is formed on the side surface of the
図1に示すように、第一非磁性電極15A、第一強磁性層14A、第二強磁性層14B、及び第二非磁性電極15Bの上部には、配線18A、18B、18C、及び18Dがそれぞれ設けられており、保護膜7b(シリコンチャンネル層12の傾斜した側面)上を経て、シリコン酸化膜11上まで引き回されている。配線18A、18B、18C及び18Dの材料は、例えばCuなどの低抵抗な導電性材料が好ましい。
As shown in FIG. 1, wirings 18 </ b> A, 18 </ b> B, 18 </ b> C, and 18 </ b> D are formed on the first nonmagnetic electrode 15 </ b> A, the first
図1に示すように、配線18A、18B、18C及び18Dのそれぞれの端部には、測定用の電極パッドE1、E2、E3及びE4が設けられており、シリコン酸化膜11上に形成されている。電極パッドE1、E2、E3及びE4の材料は、例えばAuなどの耐腐食性が高く、低抵抗な導電性材料が好ましい。
As shown in FIG. 1, measurement electrode pads E1, E2, E3, and E4 are provided at the ends of the wirings 18A, 18B, 18C, and 18D, and are formed on the
以下、本発明の実施形態に係るスピン伝導素子1の動作の一例を説明する。 Hereinafter, an example of the operation of the spin transport device 1 according to the embodiment of the present invention will be described.
図1及び図2に示すように、電極パッドE1及びE3を電流源70に接続することにより、第一強磁性層14A、トンネルバリア層13A、シリコンチャンネル層12及び第一非磁性電極15Aの間に第一強磁性層14Aの磁化の向きG1に対応するスピン偏極電流が流れる。それに伴い、第一強磁性層14Aの磁化の向きG1に対応するスピンがシリコンチャンネル層12へ注入され、スピン流として第二強磁性層14B側へと拡散していく。すなわち、シリコンチャンネル層12のX軸方向に電流及びスピン流が流れる構造とすることができる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the electrode pads E1 and E3 are connected to the
第一強磁性層14Aからシリコンチャンネル層12へ注入され、第二強磁性層14B側へと拡散したスピンは、第二強磁性層14Bの磁化の向きG2に対応するスピンとの電位差により、シリコンチャンネル層12と第二強磁性層14Bの界面において、電圧出力を発生させる。この電圧出力は、図1及び図2に示すように、電極パッドE2及びE4を出力測定器80に接続することにより検出することができる。
The spin injected from the first
ここで、図2に示すように、Y軸方向の外部磁界B1が印加される場合を考える。この場合、いわゆる非局所スピンバルブ効果を利用することができる。第一強磁性層14A及び第二強磁性層14Bには、形状異方性の効果などにより保磁力(反転磁場)の差が付けられているため、外部磁界B1の向き及び強さに応じて、それぞれの磁化の向きG1及びG2が変化する。これにより、第一強磁性層14Aからシリコンチャンネル層12へ注入され、第二強磁性層14B側へと拡散したスピンと、第二強磁性層14Bの磁化の向きG2に対応するスピンとの相対角度が変化し、それに応じて、シリコンチャンネル層12と第二強磁性層14Bの界面における電圧出力(抵抗値)が変化する。
Here, consider a case where an external magnetic field B1 in the Y-axis direction is applied as shown in FIG. In this case, a so-called nonlocal spin valve effect can be used. Since the first
非局所スピンバルブ測定の結果例を図3に示す。図3は、Y軸方向の印加磁場B1の強さ(Oe)と、それに応じて検出される電圧出力(μV)との関係を示すグラフである。図3において、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、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。すなわち、第一強磁性層14Aの磁化の向きG1及び第二強磁性層14Bの磁化の向きG2が平行の場合には低抵抗、反平行の場合には高抵抗となる。
An example of the result of non-local spin valve measurement is shown in FIG. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the strength (Oe) of the applied magnetic field B1 in the Y-axis direction and the voltage output (μV) detected accordingly. In FIG. 3, F1 shows the case where the external magnetic field B1 is changed from the minus side to the plus side, and F2 shows the case where the external magnetic field B1 is changed from the plus side to the minus side. That is, the resistance is low when the magnetization direction G1 of the first
次に、図2に示すように、Z軸方向の外部磁界B2が印加される場合を考える。この場合、いわゆる非局所Hanle効果を利用することができる。第一強磁性層14Aからシリコンチャンネル層12へ注入されたスピンは、第二強磁性層14B側へと拡散する際、Z軸方向(スピンの向きに対して垂直方向)の外部磁界B2の強さに応じて、ラーモア歳差運動を起こす。これにより、第一強磁性層14Aからシリコンチャンネル層12へ注入され、第二強磁性層14B側へと歳差運動しながら拡散したスピンと、第二強磁性層14Bの磁化の向きG2に対応するスピンとの相対角度が変化し、それに応じて、シリコンチャンネル層12と第二強磁性層14Bの界面における電圧出力(抵抗値)が変化する。
Next, consider a case where an external magnetic field B2 in the Z-axis direction is applied as shown in FIG. In this case, a so-called non-local Hanle effect can be used. When the spin injected from the first
非局所Hanle効果測定の結果例を図4に示す。図4は、Z軸方向の印加磁場B2の強さ(Oe)と、それに応じて検出される電圧出力(μV)との関係を示すグラフである。外部磁場がゼロのとき、シリコンチャンネル層12を拡散するスピンは歳差運動せず、注入されたときの状態を保つため、電圧出力は極値となる。すなわち、第一強磁性層14Aの磁化の向きG1及び第二強磁性層14Bの磁化の向きG2が平行の場合には、磁場強度の増大に伴い、抵抗が増大する。第一強磁性層14Aの磁化の向きG1及び第二強磁性層14Bの磁化の向きG2が反平行の場合には、磁場強度の増大に伴い、抵抗が減少する。
An example of the results of non-local Hanle effect measurement is shown in FIG. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the strength (Oe) of the applied magnetic field B2 in the Z-axis direction and the voltage output (μV) detected accordingly. When the external magnetic field is zero, the spin diffusing through the
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、半導体チャンネル層はGaAs(a=5.65Å)、もしくはGe(a=5.67Å)であってもよい。この場合、本発明のトンネルバリア層との格子不整合はそれぞれ−1.0〜+1.2%(45deg rotation)、−1.4〜+0.8%(45deg rotation)となるため、本発明の効果を十分に発現することができる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to said embodiment. For example, the semiconductor channel layer may be GaAs (a = 5.65Å) or Ge (a = 5.67Å). In this case, the lattice mismatch with the tunnel barrier layer of the present invention is −1.0 to + 1.2% (45 degrees rotation) and −1.4 to + 0.8% (45 degrees rotation), respectively. An effect can fully be expressed.
また、シリコンチャンネル層12上において、第一強磁性層14A及び第二強磁性層14Bとの間に、ゲート電極を備えていてもよい。これにより、シリコンチャンネル層12を伝導するスピンの歳差運動をゲート電界で制御することが可能となる。
Further, on the
本発明におけるスピン伝導素子は、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適用することができる。 The spin transport element in the present invention can be applied to various spin transport devices such as a magnetic head, a magnetoresistive memory (MRAM), a logic circuit, a nuclear spin memory, and a quantum computer.
以下、実験例1、実験例2、比較例1、及び比較例2に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on Experimental Example 1, Experimental Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, but the present invention is not limited to the following examples.
(実験例1)
シリコン基板、シリコン酸化膜(膜厚200nm)、及びシリコン膜(膜厚100nm)からなるSOI基板を準備した。シリコン膜に導電性を付与するためのドーパントをイオン注入し、900℃のアニールを行い、拡散・活性化させることにより、キャリア濃度が5.0×1019cm−3の均一ドーピングされたシリコンチャンネル層を形成した。
(Experimental example 1)
An SOI substrate comprising a silicon substrate, a silicon oxide film (
次に、RCA洗浄を用いて、SOI基板表面の付着物、有機物、及び自然酸化膜を除去し、SOI基板表面を水素終端させた。続いて、分子線エピタキシー(MBE)装置内で、SOI基板をフラッシング処理することにより、清浄化・平坦化されたSOI基板表面を形成した。 Next, RCA cleaning was used to remove deposits, organic substances, and natural oxide films on the SOI substrate surface, and the SOI substrate surface was terminated with hydrogen. Subsequently, the cleaned and planarized SOI substrate surface was formed by flushing the SOI substrate in a molecular beam epitaxy (MBE) apparatus.
次に、MBE法を用いて、SOI基板上に、トンネルバリア層(膜厚0.8nm)、強磁性層としてFe(膜厚13nm)、及びFeの酸化防止膜としてTi(膜厚3nm)をこの順に成膜し、積層体を形成した。トンネルバリア層は、酸化アルミニウムを主成分とし、表1に示すように、亜鉛イオンの陽イオン分率を変え、各サンプルを作製した。成膜後の評価により、いずれのサンプルにおいてもトンネルバリア層は立方晶系のスピネル型結晶構造を有する結晶相を含んでおり、シリコン上でエピタキシャル成長していることを確認した。なお、成膜後の評価は、X線回折法(XRD)及び高分解能透過型電子顕微鏡(HRTEM)により、トンネルバリア層の結晶構造、格子定数、及び積層膜の結晶配向性をそれぞれ評価し、エネルギー分散型X線分光法(EDX)により、トンネルバリア層中に存在する陽イオンの組成比及び分布を評価し、X線光電子分光法(XPS)により、トンネルバリア層中に存在する陽イオンの電子状態を評価した。 Next, using a MBE method, a tunnel barrier layer (film thickness: 0.8 nm), Fe (film thickness: 13 nm) as a ferromagnetic layer, and Ti (film thickness: 3 nm) as an Fe antioxidant film are formed on the SOI substrate. A film was formed in this order to form a laminate. The tunnel barrier layer was mainly composed of aluminum oxide, and as shown in Table 1, the cation fraction of zinc ions was changed to prepare each sample. Evaluation after film formation confirmed that the tunnel barrier layer contained a crystal phase having a cubic spinel crystal structure in all samples and was epitaxially grown on silicon. In addition, the evaluation after the film formation was performed by evaluating the crystal structure of the tunnel barrier layer, the lattice constant, and the crystal orientation of the laminated film by X-ray diffraction (XRD) and high-resolution transmission electron microscope (HRTEM), The composition ratio and distribution of cations present in the tunnel barrier layer are evaluated by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), and the cations present in the tunnel barrier layer are evaluated by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The electronic state was evaluated.
次に、フォトリソグラフィ及びイオンミリングにより、上記の積層体をパターニングし、シリコンチャンネル層を露出させた。上記の積層体及びレジストをマスクとして、シリコンチャンネル層を異方性ウェットエッチングすることにより、側面に傾斜部を有するシリコンチャンネル層を形成した。この際、シリコンチャンネル層のサイズは、23μm×300μmとし、シリコンチャンネル層の側面を酸化させた。 Next, the stacked body was patterned by photolithography and ion milling to expose the silicon channel layer. Using the laminate and the resist as a mask, the silicon channel layer was anisotropically wet etched to form a silicon channel layer having an inclined portion on the side surface. At this time, the size of the silicon channel layer was 23 μm × 300 μm, and the side surface of the silicon channel layer was oxidized.
次に、フォトリソグラフィ及びイオンミリングにより、上記の積層体をパターニングし、スピン注入電極及びスピン検出電極を形成した。この際、スピン注入電極及びスピン検出電極の平面寸法(ジャンクションサイズ)は、それぞれ0.5μm×21μm、2μm×21μmとした。さらに、このスピン注入電極及びスピン検出電極の側壁と、シリコンチャンネル層が露出した部分に、保護膜としてSiO2を成膜した。その後、第一非磁性電極及び第二非磁性電極となる位置の保護膜を除去し、Alから成る第一非磁性電極及び第二非磁性電極を形成した。 Next, the laminate was patterned by photolithography and ion milling to form a spin injection electrode and a spin detection electrode. At this time, the plane dimensions (junction sizes) of the spin injection electrode and the spin detection electrode were 0.5 μm × 21 μm and 2 μm × 21 μm, respectively. Further, SiO 2 was formed as a protective film on the side wall of the spin injection electrode and the spin detection electrode and on the exposed portion of the silicon channel layer. Thereafter, the protective film at positions to be the first nonmagnetic electrode and the second nonmagnetic electrode was removed, and a first nonmagnetic electrode and a second nonmagnetic electrode made of Al were formed.
次に、スピン注入電極、スピン検出電極、第一非磁性電極、及び第二非磁性電極上に配線をそれぞれ形成した。配線として、Ta(膜厚10nm)、Cu(膜厚50nm)、及びTa(膜厚10nm)の積層構造を用いた。さらに、各配線の端部にそれぞれ電極パッドを形成した。電極パッドとして、Cr(膜厚50nm)及びAu(膜厚150nm)の積層構造を用いた。このようにして、図1及び図2に示すスピン伝導素子1と同様の形態を有する実験例1のスピン伝導素子を作成した。
Next, wirings were formed on the spin injection electrode, the spin detection electrode, the first nonmagnetic electrode, and the second nonmagnetic electrode, respectively. As the wiring, a stacked structure of Ta (
これらのスピン伝導素子に対し、室温において三端子測定を行い、スピン注入電極の面積抵抗(Ω・μm2)を評価した。各水準のサンプル数は100個とし、素子の面積抵抗の平均値及びばらつき(標準偏差)を算出した。また、非局所スピンバルブ測定を行い、検出される電圧出力(μV)を評価した。その結果を表1に示す。なお、各サンプルの電圧出力は、サンプル#1で得られた電圧出力を1として規格化した。 For these spin transport devices, three-terminal measurement was performed at room temperature, and the sheet resistance (Ω · μm 2 ) of the spin injection electrode was evaluated. The number of samples at each level was 100, and the average value and variation (standard deviation) of the sheet resistance of the element were calculated. In addition, non-local spin valve measurement was performed to evaluate the detected voltage output (μV). The results are shown in Table 1. In addition, the voltage output of each sample was normalized with the voltage output obtained in sample # 1 being 1.
(実験例2)
実験例2では、実験例1におけるトンネルバリア層を、酸化アルミニウムを主成分とし、マグネシウムイオンが含有されてなるような構成に変更した以外は、実験例1と同様の手順により、サンプルを作製した。成膜後、実験例1と同様の評価により、いずれのサンプルにおいてもトンネルバリア層は立方晶系のスピネル型結晶構造を有する結晶相を含んでおり、シリコン上でエピタキシャル成長していることを確認した。得られたサンプルは、実験例1と同様の方法で測定を行い、評価した。その結果を表2に示す。
(Experimental example 2)
In Experimental Example 2, a sample was prepared by the same procedure as in Experimental Example 1 except that the tunnel barrier layer in Experimental Example 1 was changed to a structure containing aluminum oxide as a main component and containing magnesium ions. . After film formation, the same evaluation as in Experimental Example 1 confirmed that the tunnel barrier layer contained a crystal phase having a cubic spinel crystal structure in all samples and was epitaxially grown on silicon. . The obtained sample was measured and evaluated in the same manner as in Experimental Example 1. The results are shown in Table 2.
(比較例1)
比較例1では、実験例1のサンプル#10の組成で、成膜前のフラッシング処理をせずにトンネルバリア層を成膜することによりサンプルを作製した。成膜後、実験例1と同様の評価により、トンネルバリア層がアモルファスであることを確認した。得られたサンプルは、実験例1と同様の方法で測定を行い、評価した。面積抵抗は3.19kΩ・μm2、非局所出力は検出されなかった。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, a sample was produced by forming a tunnel barrier layer with the composition of
(比較例2)
比較例2では、実験例2のサンプル#30の組成で、成膜前のフラッシング処理をせずにトンネルバリア層を成膜することによりサンプルを作製した。成膜後、実験例1と同様の評価により、トンネルバリア層がアモルファスであることを確認した。得られたサンプルは、実験例1と同様の方法で測定を行い、評価した。面積抵抗は3.45kΩ・μm2、非局所出力は検出されなかった。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, a sample was produced by forming a tunnel barrier layer with the composition of
表1、表2、及び図5に示すように、トンネルバリア層における亜鉛イオンまたはマグネシウムイオンの陽イオン分率が多いほど、スピン注入電極の面積抵抗(すなわちトンネルバリア層の抵抗率)を低くすることができる。素子間のばらつきを考慮すると、亜鉛イオンを含有する場合には10mol%以上、マグネシウムイオンを含有する場合には20mol%以上の陽イオン分率で顕著な低抵抗化を実現することができる。 As shown in Table 1, Table 2, and FIG. 5, the area resistance of the spin injection electrode (that is, the resistivity of the tunnel barrier layer) is lowered as the cation fraction of zinc ions or magnesium ions in the tunnel barrier layer is increased. be able to. Considering variation among elements, a remarkable reduction in resistance can be realized with a cation fraction of 10 mol% or more when zinc ions are contained and 20 mol% or more when magnesium ions are contained.
また、表1、表2、及び図6に示すように、亜鉛イオンまたはマグネシウムイオンの陽イオン分率が、33mol%以下の範囲では、非局所スピンバルブ測定で検出される電圧出力(すなわちスピン注入効率)を高い水準のまま維持することが可能である。一方、陽イオン分率が33mol%を超えると、非局所スピンバルブ測定で検出される電圧出力は急激に低下してしまう。 In addition, as shown in Tables 1 and 2 and FIG. 6, when the cation fraction of zinc ions or magnesium ions is 33 mol% or less, the voltage output (that is, spin injection) detected by non-local spin valve measurement. Efficiency) can be maintained at a high level. On the other hand, when the cation fraction exceeds 33 mol%, the voltage output detected by the non-local spin valve measurement is rapidly reduced.
以上のことから、トンネルバリア層中に亜鉛イオンを含有する場合には、陽イオン分率が10〜33mol%となるような範囲で含有することが望ましく、トンネルバリア層中にマグネシウムイオンを含有する場合には、陽イオン分率が20〜33mol%となるような範囲で含有することが好ましいことがわかる。 From the above, when zinc ions are contained in the tunnel barrier layer, it is desirable to contain in a range such that the cation fraction is 10 to 33 mol%, and magnesium ions are contained in the tunnel barrier layer. In this case, it can be seen that the cation fraction is preferably contained in a range of 20 to 33 mol%.
なお、比較例1及び比較例2の結果が示すように、トンネルバリア層中に亜鉛イオンまたはマグネシウムイオンを本発明の効果が有効な範囲で含有したとしても、結晶構造がアモルファスである場合は、スピン注入効率は格段に低下してしまう。以上のことから、本発明の効果は、トンネルバリア層が立方晶系のスピネル型結晶構造を有することで、はじめて実現可能なものとなる。 As shown in the results of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, even when the tunnel barrier layer contains zinc ions or magnesium ions in an effective range of the present invention, when the crystal structure is amorphous, The spin injection efficiency is significantly reduced. From the above, the effect of the present invention can be realized only when the tunnel barrier layer has a cubic spinel crystal structure.
上記の実施例では、材料依存のない系統的な比較をするため、強磁性層をFeに限定したが、強磁性層とトンネルバリア層の界面における格子不整合を小さくするために、強磁性層の材料を適宜変更するのが効果的である。 In the above embodiment, the ferromagnetic layer is limited to Fe in order to make a systematic comparison without depending on the material. However, in order to reduce lattice mismatch at the interface between the ferromagnetic layer and the tunnel barrier layer, the ferromagnetic layer It is effective to appropriately change the material.
IE …スピン注入電極構造
1 …スピン伝導素子
10 …基板
11 …シリコン酸化膜
12 …シリコンチャンネル層
13A、13B …トンネルバリア層
14A …第一強磁性層
14B …第二強磁性層
15A …第一非磁性電極
15B …第二非磁性電極
70 …電流源
80 …出力測定器
IE ... Spin injection electrode structure 1 ...
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