JP2017092198A - スピン伝導素子及び磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】バックグラウンドの電圧を抑制し、高いＳ／Ｎを得ることができるスピン伝導素子及び磁気センサを提供する。
【解決手段】スピン伝導素子１は、チャンネル層７にそれぞれ離間して設けられる、第一参照電極２０Ａと、第一強磁性層１２Ａと、第二強磁性層１２Ｂと、第二参照電極２０Ｂとを有する。チャンネル層７は、第一領域Ａ１と、第二領域Ａ２とを有し、第一領域Ａ１と第二領域Ａ２は離間しており、第二強磁性層１２Ｂ及び第二参照電極２０Ｂが電流が印可される部分であり、第一強磁性層１２Ａ及び第一参照電極２０Ａが電圧が検出される部分である。第一領域Ａ１を加熱する発熱素子１１Ａおよび第二領域Ａ２を冷却する冷却素子の少なくとも一方を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スピン伝導素子及び磁気センサに関するものである。

従来、外部磁場を検出する種々の素子が知られている。例えばＨＤＤなどに用いられる磁気ヘッドや磁気センサには、微小領域からの磁場の検出や高出力特性が望まれている。従来のＴＭＲ素子はスピンバルブ型構造を有し、比較的大きな出力特性を有する。微小領域から磁場を検出するには素子を微細化するという方法が取られるが、素子を微細化することによって素子抵抗が増大してしまう。例えば１Ｔｂｉｔ／ｉｎｃｈ以上の記録密度領域では特性向上に限界が見え始め、別の構造や方式が必要とされている。

電荷を伴わないスピンだけの流れであるスピン流を利用したスピン伝導素子は、電流の流れを伴わないためノイズが小さく、高感度の磁気センサ用の素子として期待されている。特に、特許文献１及び２に記載のスピン蓄積型磁気ヘッドはスピン流を利用したスピン伝導素子を用いており、スピン伝導素子は、強磁性電極を積層面内に設置できるため、従来の磁気抵抗効果素子よりも薄い素子に形成できる。これらにより、スピン伝導素子は高感度で高記録密度を期待できる磁気ヘッドにおける読み込み部として期待されている。

特開２００４−３４２２４１号公報 特開２００８−１８１５９２号公報

スピン流を利用したスピン伝導素子を用いたデバイスの場合、最適条件の場合においてバックグラウンドの電圧をゼロにすることが可能であるため、原理的に高い信号比を得ることが可能である。しかしながら、実際にはバックグラウンドの電圧がゼロにならないという課題があった。

スピン流に伴う出力信号は弱いため、必要に応じて出力信号を増幅する必要がある。出力信号を増幅する際にはバックグラウンドの電圧も増幅されてしまうため、スピン流に伴う出力信号をデバイスにおいて使用する際にシグナルとノイズの比（Ｓ／Ｎ）を大きくするには、バックグラウンドの電圧を抑制することが重要である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、バックグラウンドの電圧を抑制し、高いＳ／Ｎを得ることができるスピン伝導素子及び磁気センサを提供することを目的とする。

発明者の鋭意検証の結果、バックグラウンドの電圧はスピン流を用いたスピン伝導素子内の温度勾配によって生じることが明らかになった。

上記の課題を解決するため、本発明にかかるスピン伝導素子は、チャンネル層と、第一参照電極と、第一強磁性層と、第二強磁性層と、第二参照電極とを有し、前記第一参照電極と、前記第一強磁性層と、前記第二強磁性層と、前記第二参照電極とは、前記チャンネル層上に前記チャンネル層を介して互いに離間して設けられ、前記チャンネル層は、前記第一参照電極と積層方向から見て重なる領域と前記第一強磁性層と積層方向から見て重なる領域とそれらの間の領域からなる第一領域と、前記第二強磁性層と積層方向から見て重なる領域と前記第二参照電極と積層方向から見て重なる領域とそれらの間の領域からなる第二領域とを有し、前記第一領域と前記第二領域は離間しており、前記第二強磁性層及び前記第二参照電極が電流が印可される部分であり、前記第一強磁性層及び前記第一参照電極が電圧が検出される部分であり、前記第一領域を加熱する発熱素子および前記第二領域を冷却する冷却素子の少なくとも一方を有することを特徴とする。ここで、「チャンネル層上に設けられる」とは、チャンネル層の上面側に設けられる場合のみではなく、チャンネル層の下面側に設けられる場合やチャンネル層の側面側に設けられる場合も含む意味である。

本発明のスピン伝導素子では、第二強磁性層及び第二参照電極が電流注入部であり、第一強磁性層及び第一参照電極が電圧検出部である。即ち、本発明のスピン伝導素子は、チャンネル層を介して第二強磁性層と第二参照電極との間に電流が流され、チャンネル層を介した第一強磁性層と第一参照電極の間の電圧が検出される構造である。すなわち、第二領域は、第二強磁性層と第二参照電極との間に流れる電流によって発熱するが、第一領域は、電流が流れないため発熱しない。この場合、第二領域を起点として、第二領域から離れるほど温度が下がる構造となる。したがって、第一領域内にも温度勾配が発生し、第一強磁性層と第一参照電極の間に温度勾配に起因した電圧が発生する。この熱に由来する電圧は電荷を伴わない純スピン流に由来するものではないため、バックグラウンドの電圧としてノイズの要因となる。よって、この温度勾配を低減するために、電流が流れず発熱しない第一領域を加熱する発熱素子を設置するか、電流によって発熱している第二領域を冷却する冷却素子を設置するか、あるいは、発熱素子及び冷却素子のいずれも設置することによって、温度勾配によるバックグラウンドの電圧を抑制し、高いＳ／Ｎを得ることができる。

更に、本発明のスピン伝導素子は、前記発熱素子または前記冷却素子が、前記チャンネル層に対し、前記チャンネル層に接する非磁性絶縁層を介して設置されていることが好ましい。

熱伝導を考慮するならば、チャンネル層に対し導電性の層を介して、発熱素子または冷却素子が設置される方が良い。しかしながら、スピン伝導素子では、電流及びスピン流を考慮する必要がある。発熱素子または冷却素子とチャンネル層の間の層として、導電性の層をチャンネル層に接して用いると、電流の経路が所望のものから変化してしまい、出力が低下する。さらに、この導電性の層においてスピンが容易に緩和してしまうため、十分なスピンを第二強磁性層から第一強磁性層へ到達させることができず、この点からも出力が低下する。また、発熱素子または冷却素子とチャンネル層の間の層として、磁性絶縁層をチャンネル層に接して用いると、電流の経路は変化しないが、スピンが磁性絶縁層を介して伝導あるいは緩和してしまうため、十分なスピンを第二強磁性層から第一強磁性層へ到達させることができず、出力が低下する。したがって、発熱素子または冷却素子が、チャンネル層に対し、チャンネル層に接する非磁性絶縁層を介して設置されていることで、出力低下を抑制することができる。

更に、本発明のスピン伝導素子は、前記発熱素子または前記冷却素子が、前記チャンネル層の積層面側に設置されていることが好ましい。

スピン伝導素子は薄膜プロセスで形成されるため、一般的に積層方向に対しての寸法は微小であり、積層面内に対しての寸法がより大きくなる。チャンネル層の積層面側に発熱素子または冷却素子が設置された場合には、発熱素子または冷却素子による加熱又は冷却の効果を受けるチャンネル層の面積を大きくすることができ、第一領域または第二領域の温度を調整しやすくなる。

更に、本発明のスピン伝導素子は、前記発熱素子または前記冷却素子が、前記チャンネル層の側面側に設置されていても良い。

発熱素子または冷却素子がチャンネル層の側面側に設置されることで、チャンネル層の積層面側に発熱素子または冷却素子が設置されていない場合には、積層方向への膜厚の増大を抑制し、スピン伝導素子の積層方向の大きさを小さくすることができる。チャンネル層の積層面側に発熱素子または冷却素子が設置されている場合には、チャンネル層の積層面側及び側面側の両方からの加熱又は冷却が可能になり、第一領域または第二領域の温度を調整しやすくなる。

本発明の磁気センサは、前記スピン伝導素子を有することを特徴とする。

本発明のスピン伝導素子を磁気センサに使用する場合には、第一強磁性層と第二強磁性層の保磁力は、互いに異なっていることが好ましい。本発明の磁気センサでは、第一強磁性層と第二強磁性層の間に流れるスピン流を介して、第一強磁性層と第二強磁性層の磁化の相対角によって出力が決定される。外部磁場の変化に応じて、この相対角が変化して出力が変化するので、本発明の磁気センサは外部磁場の検出を行うことができる。本発明の磁気センサは、高いＳ／Ｎを得ることができる本発明のスピン伝導素子を有するので、精度よく外部磁場を検出することができる。また、第一強磁性層と第二強磁性層の一方の保磁力が他方の保磁力に比べて非常に小さい場合、微小な外部磁場を検出することが可能となる。

本発明によれば、バックグラウンドの電圧を低減し、高いＳ／Ｎ比を得ることができるスピン伝導素子及び磁気センサを提供することができる。

第１実施形態に係るスピン伝導素子の概略平面図である。 図１におけるＸ１−Ｘ１線に沿った断面図である。 図１におけるＹ１−Ｙ１線に沿った断面図である。 第２実施形態に係るスピン伝導素子の断面図である。 図４におけるＹ２−Ｙ２線に沿った断面図である。 発熱素子がチャンネル層の上面側に形成されているスピン伝導素子の例の概略平面図である。 図６におけるＸ２−Ｘ２線に沿った断面図である。 図６におけるＹ３−Ｙ３線に沿った断面図である。 第３実施形態に係るスピン伝導素子の概略平面図である。 図９におけるＹ４−Ｙ４線に沿った断面図である。 第４実施形態に係るスピン伝導素子の断面図である。 図１１におけるＹ５−Ｙ５線に沿った断面図である。 冷却素子がチャンネル層の上面側に形成されているスピン伝導素子の例の概略平面図である。 図１３におけるＸ３−Ｘ３線に沿った断面図である。 図１３におけるＹ６−Ｙ６線に沿った断面図である。 第５実施形態に係る磁気センサが有するスピン伝導素子の概略平面図である。 図１６におけるＹ７−Ｙ７線に沿った断面図に対応した磁気センサ１００の断面模式図である。 図１６におけるＸ４−Ｘ４線に沿った断面図に対応した磁気センサ１００の断面模式図である。 実施例１のスピン伝導素子のスピン出力の測定結果を示す図である。

本発明を実施するための好適な形態につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、均等の範囲のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して、第１実施形態に係るスピン伝導素子１について説明する。

（基本構造）
図１は、第１実施形態に係るスピン伝導素子１の概略平面図（上面図）であり、図２は、図１におけるＸ１−Ｘ１線に沿った断面図であり、図３は、図１におけるＹ１−Ｙ１線に沿った断面図である。図１及び図２に示すように、スピン伝導素子１は、チャンネル層７と、第一参照電極２０Ａと、第一強磁性層１２Ａと、第二強磁性層１２Ｂと、第二参照電極２０Ｂとを有している。チャンネル層７は、下地絶縁層８０を介して基板２１上に設けられ、第一参照電極２０Ａと、第一強磁性層１２Ａと、第二強磁性層１２Ｂと、第二参照電極２０Ｂとは、チャンネル層７上にチャンネル層７を介して互いに離間して設けられている。チャンネル層７は、第一参照電極２０Ａと第一強磁性層１２Ａとが並ぶ方向（膜面内における方向）が長辺方向であり、その長辺方向に垂直な方向（膜面内における方向）が短辺方向である矩形の平面視形状を有している。また、この矩形の平面視形状の長辺方向は、第二強磁性層１２Ｂと第二参照電極２０Ｂとが並ぶ方向（膜面内における方向）でもある。スピン伝導素子１では、第一参照電極２０Ａと、第一強磁性層１２Ａと、第二強磁性層１２Ｂと、第二参照電極２０Ｂとは、チャンネル層７において、この順に互いに離間して設けられている。チャンネル層７の長辺方向（図１における左右方向）をｘ方向、チャンネル層７の短辺方向（図１における上下方向）をｙ方向、チャンネル層７と、第一参照電極２０Ａ、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ及び第二参照電極２０Ｂとの積層方向をｚ方向とする。後述する第２〜第４実施形態（図４〜図１５）においても同様である。なお、図１においては、下地絶縁層８０と基板２１は省略している。

チャンネル層７は、第一参照電極２０Ａと積層方向から見て重なる領域Ａ１１と第一強磁性層１２Ａと積層方向から見て重なる領域Ａ１２とそれらの間の領域Ａ１３からなる第一領域Ａ１と、第二強磁性層１２Ｂと積層方向から見て重なる領域Ａ２１と第二参照電極２０Ｂと積層方向から見て重なる領域Ａ２２とそれらの間の領域Ａ２３からなる第二領域Ａ２とを有している。第一領域Ａ１と第二領域Ａ２は離間している。第二強磁性層１２Ｂ及び第二参照電極２０Ｂが電流が印可される部分であり、チャンネル層７を介して第二強磁性層１２Ｂと第二参照電極２０Ｂとの間に電流が流される。また、第一強磁性層１２Ａ及び第一参照電極２０Ａが電圧が検出される部分であり、チャンネル層７を介した第一強磁性層１２Ａと第一参照電極２０Ａとの間の電圧が検出される。スピン伝導素子１は、一方の強磁性層から注入されたスピン流を他方の強磁性層で検出するものである。また、図１及び図３に示すように、スピン伝導素子１は、第一領域Ａ１を加熱する発熱素子１１Ａを有している。発熱素子１１Ａはチャンネル層７の側面側に、チャンネル層７に接する非磁性絶縁層８１を介して、第一領域Ａ１に対応した位置（チャンネル層７の長辺方向に沿った側面側から見て第一領域Ａ１と重なる位置）に設置されている。スピン伝導素子１では、発熱素子１１Ａが、第一領域Ａ１をチャンネル層７の短辺方向に挟むように、チャンネル層７の長辺方向に沿った両側面側に設けられている。発熱素子１１Ａは、第二領域Ａ２に対し第一領域Ａ１を選択的に加熱し、第一領域Ａ１と第二領域Ａ２の温度差が、発熱素子１１Ａが機能しない場合と比べて小さくなるように機能する。

第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂとチャンネル層７との間には、それぞれ障壁層１４Ａ及び障壁層１４Ｂが設けられている。

（強磁性層の材料）
第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの材料としては、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群の金属を１種以上含む合金、又は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される１又は複数の金属と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ及びＧｅからなる群から選択される１種以上の元素とを含む合金が挙げられ、具体的には、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅ等が挙げられる。

（障壁層）
第二強磁性層１２Ｂとチャンネル層７との間には、障壁層１４Ｂが設けられているので、第二強磁性層１２Ｂからチャンネル層７へスピン偏極した電子を多く注入することが可能となり、スピン伝導素子の出力を高めることが可能となる。また、注入されたスピンがチャンネル層７から第一強磁性層１２Ａに流れる現象が生じ得るが、第一強磁性層１２Ａとチャンネル層７との間には、障壁層１４Ａが設けられているので、第一強磁性層１２Ａとチャンネル層７との間の抵抗が高くなることでこの現象が抑制され、効率的なスピン注入が可能になる。

障壁層は、トンネル障壁層であることが好ましい。トンネル障壁層の材料として、例えば酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、スピネル酸化膜、または酸化亜鉛などを用いることができる。抵抗の増大を抑制し、トンネル絶縁層として機能させる観点から、トンネル障壁層の膜厚は、３ｎｍ以下であることが好ましい。また、トンネル障壁層の膜厚は、１原子層の厚みを考慮して、０．４ｎｍ以上であることが好ましい。

（参照電極の材料）
第一参照電極２０Ａ及び第二参照電極２０Ｂの材料は非磁性の金属であることが好ましい。第一参照電極２０Ａや第二参照電極２０Ｂの材料として、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔａ、ＣｒまたはＡｌなどの金属材料が挙げられる。

（チャンネル層）
チャンネル層７はスピンが蓄積・伝導する層である。チャンネル層７の材料は、非磁性導電性材料であり、スピン拡散長が長く、導電率が比較的小さい材料であることが好ましい。例えば、チャンネル層７の材料として、Ｂ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｌ及びＣｕからなる群から選択される１つ以上の元素を含む材料が挙げられる。具体的には、Ｃｕ、ＭｇＢ_２等が挙げられる。また、例えば、チャンネル層７の材料を、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＣまたはＺｎＯのうちのいずれか１つを含む半導体とすることができる。半導体材料を用いたチャンネル層７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よい。イオン濃度は、例えば１．０×１０^１５〜１．０×１０^２２ｃｍ^−３とすることができ、イオン種は例えばリンである。半導体材料はスピン拡散長が比較的長く、導電率が比較的小さいため、これらの半導体材料を用いたチャンネル層７はスピン蓄積層としてより好適であり、なおかつ金属を用いたチャンネル層７よりも、出力を高くすることも可能である。

チャンネル層７の材料は、単層あるいは３層以下のグラフェンとしても良い。グラフェンはスピン拡散長が比較的長いため、チャンネル層７内に好適にスピンを蓄積できる。

チャンネル層７の材料は、Ａｇ， Ｃｕ， Ａｌ， Ｍｇのうちのいずれか１つを含む金属としても良い。これらの金属はスピン拡散長が短いが、バックグラウンドの電圧が小さくなる特徴を持つ。

また、チャンネル層７における第一強磁性層１２Ａから第二強磁性層１２Ｂまでの距離は、チャンネル層７に用いる材料のスピン拡散長以下であることが好ましい。

（その他の材料）
基板２１は、例えばＡｌＴｉＣ基板またはＳｉ基板である。基板２１上に設けられる下地絶縁層８０の材料は、例えばＳｉＯ_ｘ（酸化シリコン）、ＨｆＯ_２またはＳｉＮ_ｘ（窒化シリコン）である。発熱素子１１Ａの材料は例えばＳｉであり、チャンネル層７と同じ材料であることが好ましい。あるいは、発熱素子１１Ａの材料は抵抗の高い金属であるＷや、安価で配線しやすいＣｕや、耐熱性の高いＰｔやＲｕでもよい。非磁性絶縁層８１の材料は例えばＳｉＯ_ｘ、ＨｆＯ_２またはＳｉＮ_ｘである。

（具体例の説明）
スピン伝導素子１について、より具体的な例で説明する。ここで説明する具体例では、チャンネル層７はＣＺ法によって形成されたＳｉであり、ＣＺ法によるＳｉが切り出されて基板２１（ＡｌＴｉＣ基板）上の下地絶縁層８０（ＳｉＯ_ｘ）に貼り付けられたものである。下地絶縁層８０上にＣＺ法によって形成されたＳｉを設置した後、熱を加えることによって、ＣＺ法によって形成されたＳｉを下地絶縁層８０に密着させる。また、第一参照電極２０Ａ及び第二参照電極２０Ｂ（Ａｌ）、障壁層１４Ａ及び１４Ｂ（ＭｇＯ）、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂ（Ｆｅ）は、ＤＣスパッタリング法、ＲＦスパッタリング法またはイオンビームスパッタリング法のいずれかで形成される。チャンネル層７及び発熱素子１１Ａは、貼り付けられたＳｉをイオンミリング法、あるいは、化学的な手法によってエッチングすることで、それぞれ図１〜図３に示されるような所定の形状に同時に形成される。この際、チャンネル層７の側面と発熱素子１１Ａとの間に隙間を形成し、チャンネル層７と発熱素子１１Ａとが離間するようにする。

チャンネル層７の側面と発熱素子１１Ａの間のすきまに非磁性絶縁層８１（ＳｉＯ_ｘ）をＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって形成し、チャンネル層７と発熱素子１１Ａが電気的に接触しない構造とする。これはチャンネル層７に流れるスピン流が発熱素子１１Ａからチャンネル層７の外に流出するのを防ぐためである。発熱素子１１Ａの両端には電流を供給する配線を設置する。この配線は発熱素子１１Ａに電流を供給する機能を有し、その材料はＣｕ、ＡｕまたはＰｔなどの低抵抗の材料が好ましい。

発熱素子１１Ａに電流源を接続し、発熱素子１１Ａに電流を印加することで、第一領域Ａ１を加熱することができ、発熱素子１１Ａに印加する電流を調整することで、第一領域Ａ１の温度を調整することができる。

第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂは、それぞれｙ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１２Ａと第二強磁性層１２Ｂのｘ方向における幅を異ならせて形状磁気異方性に差をつけることで、第一強磁性層１２Ａと第二強磁性層１２Ｂの保磁力を互いに異ならせることができる。このようにすることにより、外部磁場の変化に応じて、第一強磁性層１２Ａと第二強磁性層１２Ｂの磁化の相対角が変化して出力（チャンネル層７を介した第一強磁性層１２Ａと第一参照電極２０Ａとの間の電圧）が変化するようにすることができる。第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂのいずれか一方の強磁性層の上に反強磁性層を形成して、反強磁性層と強磁性層の磁気相関を利用して第一強磁性層１２Ａと第二強磁性層１２Ｂの保磁力を互いに異ならせることもできる。

（効果の説明）
第二強磁性層１２Ｂは、チャンネル層７へスピンを注入するための注入電極であり、第一強磁性層１２Ａはチャンネル層７を伝導してきたスピンを検出するための受け取り電極として機能する。電流はチャンネル層７を介して第二強磁性層１２Ｂと第二参照電極２０Ｂの間に流れ、第二強磁性層１２Ｂから注入されたスピン流は、第一強磁性層１２Ａと第一参照電極２０Ａの間の電圧を測定することによって検出される。よって、第二強磁性層１２Ｂと第二参照電極２０Ｂの間の第二領域Ａ２は、チャンネル層７の電気抵抗に起因して、第二強磁性層１２Ｂと第二参照電極２０Ｂとの間に流れる電流によって発熱するが、第一強磁性層１２Ａと第一参照電極２０Ａの間の第一領域Ａ１には電流が流れないため、第一領域Ａ１は発熱しない。この場合、第二領域Ａ２を起点として、第二領域Ａ２から離れるほど温度が下がる構造となる。したがって、第一領域Ａ１内にも温度勾配が発生し、第一強磁性層１２Ａと第一参照電極２０Ａの間に温度勾配に起因した電圧が発生する。この熱に由来する電圧は電荷を伴わない純スピン流に由来するものではないため、バックグラウンドの電圧としてノイズの要因となる。スピン伝導素子１は、図１のように第一領域Ａ１に対応した位置に設置された、第一領域Ａ１を加熱する発熱素子１１Ａを有しているので、発熱素子１１Ａにより第一領域Ａ１を加熱することにより、この温度勾配を低減して、温度勾配によるバックグラウンドの電圧を抑制し、高いＳ／Ｎを得ることができる。

発熱素子１１Ａによる第一領域Ａ１の加熱の調整は、例えば以下のように行う。発熱素子１１Ａにある一定の時間だけ電流を印加し、その前後のバックグラウンドの電圧を測定する。発熱素子１１Ａに電流を印加した後にバックグラウンドの電圧が小さくなれば、再度一定の時間だけ発熱素子１１Ａに電流を印加し、バックグラウンドの電圧が変化しない状態になるまでこれを繰り返す。その後は、印加する電流値を小さくするか、電流を印加する時間を短くしてバックグラウンドの電圧が維持されるようにする。逆に、発熱素子１１Ａに電流を印加した後、バックグラウンドの電圧が大きくなれば、一定以上の時間、電流の印加を止めた後、印加する電流値を小さくするか、電流を印加する時間を短くして、発熱素子１１Ａに電流を印加した後にバックグラウンドの電圧が小さくなるようにする。

更に、スピン伝導素子１は、発熱素子１１Ａが、チャンネル層７に対し、チャンネル層７に接する非磁性絶縁層８１を介して設置されているので、出力低下を抑制することができる。

熱伝導を考慮するならば、チャンネル層７に対し導電性の層を介して、発熱素子１１Ａが設置される方が良い。しかしながら、スピン伝導素子では、電流及びスピン流を考慮する必要がある。発熱素子１１Ａとチャンネル層７の間の層として、導電性の層をチャンネル層７に接して用いると、電流の経路が所望のものから変化してしまい、出力が低下する。さらに、この導電性の層においてスピンが容易に緩和してしまうため、十分なスピンを第二強磁性層１２Ｂから第一強磁性層１２Ａへ到達させることができず、この点からも出力が低下する。また、発熱素子１１Ａとチャンネル層７の間の層として、磁性絶縁層をチャンネル層７に接して用いると、電流の経路は変化しないが、スピンが磁性絶縁層を介して伝導あるいは緩和してしまうため、十分なスピンを第二強磁性層１２Ｂから第一強磁性層１２Ａへ到達させることができず、出力が低下する。したがって、発熱素子１１Ａが、チャンネル層７に対し、チャンネル層７に接する非磁性絶縁層８１を介して設置されていることで、出力低下を抑制することができる。

更に、スピン伝導素子１は、発熱素子１１Ａがチャンネル層７の側面側に設置され、チャンネル層の積層面側に発熱素子が設置されていないので、積層方向への膜厚の増大を抑制し、スピン伝導素子１の積層方向の大きさを小さくすることができる。

なお、スピン伝導素子１では、発熱素子１１Ａがチャンネル層７の長辺方向に沿った両側面側に設置されているが、どちらか一方の側面側に設置されている場合でも効果を発揮する。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態に係るスピン伝導素子２について、第１実施形態のスピン伝導素子１と異なる点について主に説明し、共通する事項は適宜説明を省略する。

スピン伝導素子２が第１実施形態のスピン伝導素子１と異なる点は、図４及び図５に示すように、発熱素子１１Ａがチャンネル層７の積層面側に設置されている点である。その他の点は第１実施形態のスピン伝導素子１と同じであるので適宜説明を省略する。図４は、図２に示すスピン伝導素子１の断面図に対応した、スピン伝導素子２の断面図であり、図５は、図４におけるＹ２−Ｙ２線に沿った断面図である。スピン伝導素子２では、基板２１上に発熱素子１１Ａが設置され、発熱素子１１Ａの周りは下地絶縁層８０が設置され、下地絶縁層８０上にチャンネル層７が形成されている。スピン伝導素子２では、下地絶縁層８０は非磁性絶縁層であり、チャンネル層７と発熱素子１１Ａの間の下地絶縁層８０は、第１実施形態のスピン伝導素子１における非磁性絶縁層８１を兼ねている。発熱素子１１Ａは、第一領域Ａ１に対応した位置（基板２１の表面における、第一領域Ａ１と積層方向から見て重なる領域）に設置されている。

スピン伝導素子２について、より具体的な例で説明する。ここで説明する具体例では、まず、基板２１上にスパッタリング法によって発熱素子１１ＡとしてＳｉを形成し、発熱素子１１Ａの両端には電流を供給する配線を設置する。その後、ＡＬＤ法によって下地絶縁層８０としてＳｉＯ_ｘを形成する。ＣＭＰでＳｉＯ_ｘの表面を平坦化した後、第１実施形態と同様にして下地絶縁層８０上にチャンネル層７となるＳｉを貼り付ける。貼り付けられたＳｉをエッチングしてチャンネル層７を形成する際には、発熱素子１１Ａは形成しない。その他の第一参照電極２０Ａ、第二参照電極２０Ｂ、障壁層１４Ａ、１４Ｂ、第一強磁性層１２Ａおよび第二強磁性層１２Ｂの形成は第１実施形態と同様である。

発熱素子１１Ａに電流源を接続し、発熱素子１１Ａに電流を印加することで、第一領域Ａ１を加熱することができ、発熱素子１１Ａに印加する電流を調整することで、第一領域Ａ１の温度を調整することができる。

スピン伝導素子２は、発熱素子１１Ａがチャンネル層７の積層面側に設置されているので、第一領域Ａ１の温度を調整しやすくなる。

スピン伝導素子は薄膜プロセスで形成されるため、一般的に積層方向に対しての寸法は微小であり、積層面内に対しての寸法がより大きくなる。チャンネル層７の積層面側に発熱素子１１Ａが設置された場合には、発熱素子１１Ａによる加熱の効果を受けるチャンネル層７の面積を大きくすることができ、第一領域Ａ１の温度を調整しやすくなる。

第１実施形態のスピン伝導素子１では、発熱素子１１Ａがチャンネル層７の側面側に設置され、第２実施形態のスピン伝導素子２では、発熱素子１１Ａがチャンネル層７の積層面側に設置されているが、発熱素子１１Ａがチャンネル層７の側面側と積層面側の両方に設置されるようにしても良い。この場合、チャンネル層７の積層面側及び側面側の両方からの加熱が可能になり、第一領域Ａ１の温度を調整しやすくなる。

第１実施形態及び第２実施形態において、発熱素子１１Ａは、領域Ａ１３における第一強磁性層１２Ａから第一参照電極２０Ａへの方向における中間位置よりも、第二領域Ａ２に対して遠い側の第一領域Ａ１の部分に対応した位置に設置され、この部分を少なくとも加熱可能に設置されるのが好ましい。このようにすることで、第一領域Ａ１内の温度勾配をより確実に小さくすることができる。

また、第２実施形態のスピン伝導素子２では、発熱素子１１Ａがチャンネル層７の下側（基板１２側）に設置されているが、発熱素子１１Ａはチャンネル層７の上面側に設置されていてもよい。

図６〜８に、発熱素子１１Ａがチャンネル層７の上面側に形成されている例（スピン伝導素子２Ａ）を示す。図６は、この例の概略平面図（上面図）であり、図７は、図６におけるＸ２−Ｘ２線に沿った断面図であり、図８は図６におけるＹ３−Ｙ３線に沿った断面図である。この例では、発熱素子１１Ａは、チャンネル層７の上面側における第一強磁性層１２Ａと第一参照電極２０Ａの間に、チャンネル層７に対し非磁性絶縁層８１を介して形成されている。

図６〜８に示すスピン伝導素子２Ａの作製方法について、第１実施形態と異なる点について説明する。第１実施形態と異なり、貼り付けられたＳｉをエッチングしてチャンネル層７を形成する際には、発熱素子１１Ａは形成しない。第一参照電極２０Ａ、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂおよび第二参照電極２０Ｂを形成後、これらの上部以外のチャンネル層７の上面に非磁性絶縁層８１としてＡＬＤ法を用いたＳｉＯ_ｘを形成する。その後、発熱素子１１ＡとしてＳｉをスパッタリング法によって非磁性絶縁層８１上に形成する。

（第３実施形態）
以下、第３実施形態に係るスピン伝導素子３について、第１実施形態のスピン伝導素子１と異なる点について主に説明し、共通する事項は適宜説明を省略する。

スピン伝導素子３が第１実施形態のスピン伝導素子１と異なる点は、図９及び図１０に示すように、発熱素子１１Ａにかえて、第二領域Ａ２を冷却する冷却素子１１Ｂを有している点である。冷却素子１１Ｂは、チャンネル層７の側面側に、チャンネル層７に接する非磁性絶縁層８１を介して、第二領域Ａ２に対応した位置（チャンネル層７の長辺方向に沿った側面側から見て第二領域Ａ２と重なる位置）に設置されている。その他の点は第１実施形態のスピン伝導素子１と同じであるので適宜説明を省略する。図９は、図１に示すスピン伝導素子１の概略平面図に対応した、スピン伝導素子３の概略平面図（上面図）であり、図１０は、図９におけるＹ４−Ｙ４線に沿った断面図である。

冷却素子１１Ｂはペルチェ素子であることが好ましい。ペルチェ素子の材料としては、ｎ型またはｐ型の半導体の例として、Ｓｉ， Ｂｉ_２Ｔｅ_３， ＣｅＳｂ_２．８５Ｔｅ_０．１５， Ｍｇ_２Ｓｉ， Ｂｉ_０．３Ｓｂ_１．７Ｔｅ_３， ＣｏＳｂ_３， ＭｎＳｉ_１．７３， ＮａｘＣｏＯｙ， Ｃａ_３Ｃｏ_４Ｏ_９またはＳｒＴｉＯ_３が挙げられ、ペルチェ素子は、これらのｎ型半導体とｐ型半導体を接合した素子であることが好ましい。冷却素子１１Ｂは、第一領域Ａ１に対し第二領域Ａ２を選択的に冷却し、第一領域Ａ１と第二領域Ａ２の温度差が、冷却素子１１が機能しない場合と比べて小さくなるように機能する。

スピン伝導素子３の作製方法例について、第１実施形態と異なる点について説明する。貼り付けられたＳｉをエッチングしてチャンネル層７を形成する際には、発熱素子１１Ａは形成せず、別に作製され所定の大きさに加工された冷却素子１１Ｂを下地絶縁層８０上にチャンネル層７と離間して設置し、加熱することによって下地絶縁層８０と冷却素子１１Ｂを密着させる。

チャンネル層７と冷却素子１１Ｂの間のすきまに非磁性絶縁層８１を形成し、チャンネル層７と冷却素子１１Ｂが電気的に接触しない構造とする。これはチャンネル層７に流れるスピン流が冷却素子１１Ｂからチャンネル層７の外に流出するのを防ぐためである。冷却素子１１Ｂの両端には、第１実施形態と同様の、電流を供給する配線を設置する。

冷却素子１１Ｂに電流源を接続し、冷却素子１１Ｂに電流を印加することで、第二領域Ａ２を冷却することができ、冷却素子１１Ｂに印加する電流を調整することで、第二領域Ａ２の温度を調整することができる。

第１実施形態のスピン伝導素子１と同様に、第二強磁性層１２Ｂと第二参照電極２０Ｂの間の第二領域Ａ２は、チャンネル層７の電気抵抗に起因して、第二強磁性層と第二参照電極との間に流れる電流によって発熱し、これに起因して第一領域Ａ１内に温度勾配が発生するが、スピン伝導素子３は図９のように、第二領域Ａ２を冷却する冷却素子１１Ｂを有しているので、冷却素子１１Ｂにより第二領域Ａ２を冷却することにより、この温度勾配を低減して、温度勾配によるバックグラウンドの電圧を抑制し、高いＳ／Ｎを得ることができる。

冷却素子１１Ｂによる第二領域Ａ２の冷却の調整は、例えば以下のように行う。冷却素子１１Ｂにある一定の時間だけ電流を印加し、その前後のバックグラウンドの電圧を測定する。冷却素子１１Ｂに電流を印加した後にバックグラウンドの電圧が小さくなれば、再度一定の時間だけ冷却素子１１Ｂに電流を印加し、バックグラウンドの電圧が変化しない状態になるまで繰り返す。その後は、印加する電流値を小さくするか、電流を印加する時間を短くしてバックグラウンドの電圧が維持されるようにする。逆に、冷却素子１１Ｂに電流を印加した後、バックグラウンドの電圧が大きくなれば、一定以上の時間、電流の印加を止めた後、印加する電流値を小さくするか、電流を印加する時間を短くして、冷却素子１１Ｂに電流を印加した後にバックグラウンドの電圧が小さくなるようにする。

更に、スピン伝導素子３は、冷却素子１１Ｂが、チャンネル層７に対し、チャンネル層７に接する非磁性絶縁層８１を介して設置されているので、出力低下を抑制することができる。

熱伝導を考慮するならば、チャンネル層７に対し導電性の層を介して、冷却素子１１Ｂが設置される方が良い。しかしながら、スピン伝導素子では、電流及びスピン流を考慮する必要がある。冷却素子１１Ｂとチャンネル層７の間の層として、導電性の層をチャンネル層７に接して用いると、電流の経路が所望のものから変化してしまい、出力が低下する。さらに、この導電性の層においてスピンが容易に緩和してしまうため、十分なスピンを第二強磁性層１２Ｂから第一強磁性層１２Ａへ到達させることができず、この点からも出力が低下する。また、冷却素子１１Ｂとチャンネル層７の間の層として、磁性絶縁層をチャンネル層７に接して用いると、電流の経路は変化しないが、スピンが磁性絶縁層を介して伝導あるいは緩和してしまうため、十分なスピンを第二強磁性層１２Ｂから第一強磁性層１２Ａへ到達させることができず、出力が低下する。したがって、冷却素子１１Ｂが、チャンネル層７に対し、チャンネル層７に接する非磁性絶縁層８１を介して設置されていることで、出力低下を抑制することができる。

更に、スピン伝導素子３は、冷却素子１１Ｂがチャンネル層７の側面側に設置され、チャンネル層の積層面側に冷却素子が設置されていないので、積層方向への膜厚の増大を抑制し、スピン伝導素子３の積層方向の大きさを小さくすることができる。

（第４実施形態）
以下、第４実施形態に係るスピン伝導素子４について、第３実施形態のスピン伝導素子３と異なる点について主に説明し、共通する事項は適宜説明を省略する。

スピン伝導素子４が第３実施形態のスピン伝導素子３と異なる点は、図１１及び図１２に示すように、冷却素子１１Ｂがチャンネル層７の積層面側に設置されている点である。その他の点は第３実施形態のスピン伝導素子３と同じであるので適宜説明を省略する。図１１は、図２に示すスピン伝導素子１の断面図や図４に示すスピン伝導素子２の断面図に対応した、スピン伝導素子３の断面図であり、図１２は、図１１におけるＹ５−Ｙ５線に沿った断面図である。スピン伝導素子４では、基板２１上に冷却素子１１Ｂが設置され、冷却素子１１Ｂの周りは下地絶縁層８０が設置され、下地絶縁層８０上にチャンネル層７が形成されている。スピン伝導素子４では、下地絶縁層８０は非磁性絶縁層であり、チャンネル層７と冷却素子１１Ｂの間の下地絶縁層８０は、第３実施形態のスピン伝導素子３における非磁性絶縁層８１を兼ねている。冷却素子１１Ｂは、第二領域Ａ２に対応した位置（基板２１の表面における、第二領域Ａ２と積層方向から見て重なる領域）に設置されている。

スピン伝導素子４の作製方法例について説明する。基板２１上に、別に作製され所定の大きさに加工された冷却素子１１Ｂを設置し、熱を加えることによって、基板２１と冷却素子１１Ｂを密着させ、冷却素子１１Ｂの両端には電流を供給する配線を設置する。その後、ＡＬＤ法によって下地絶縁層８０としてＳｉＯ_ｘを形成する。その後は第２実施形態のスピン伝導素子２の作製例と同様にして、チャンネル層７、第一参照電極２０Ａ、第二参照電極２０Ｂ、障壁層１４Ａ、１４Ｂ、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂを形成する。

冷却素子１１Ｂに電流源を接続し、冷却素子１１Ｂに電流を印加することで、第二領域Ａ２を冷却することができ、冷却素子１１Ｂに印加する電流を調整することで、第二領域Ａ２の温度を調整することができる。

スピン伝導素子４は、冷却素子１１Ｂがチャンネル層７の積層面側に設置されているので、第二領域Ａ２の温度を調整しやすくなる。

スピン伝導素子は薄膜プロセスで形成されるため、一般的に積層方向に対しての寸法は微小であり、積層面内に対しての寸法がより大きくなる。チャンネル層７の積層面側に冷却素子１１Ｂが設置された場合には、冷却素子１１Ｂによる冷却の効果を受けるチャンネル層７の面積を大きくすることができ、第二領域Ａ２の温度を調整しやすくなる。

第３実施形態のスピン伝導素子３では、冷却素子１１Ｂがチャンネル層７の側面側に設置され、第４実施形態のスピン伝導素子４では、冷却素子１１Ｂがチャンネル層７の積層面側に設置されているが、冷却素子１１Ｂがチャンネル層７の側面側と積層面側の両方に設置されるようにしても良い。この場合、チャンネル層７の積層面側及び側面側の両方からの冷却が可能になり、第二領域Ａ２の温度を調整しやすくなる。

また、第４実施形態のスピン伝導素子４では、冷却素子１１Ｂがチャンネル層７の下側（基板１２側）に設置されているが、冷却素子１１Ｂはチャンネル層７の上側に設置されていてもよい。

図１３〜１５に、冷却素子１１Ｂがチャンネル層７の上面側に形成されている例（スピン伝導素子４Ａ）を示す。図１３は、この例の概略平面図（上面図）であり、図１４は、図１３におけるＸ３−Ｘ３線に沿った断面図であり、図１５は図１３におけるＹ６−Ｙ６線に沿った断面図である。この例では、冷却素子１１Ｂは、チャンネル層７の上面側における第二強磁性層１２Ｂと第二参照電極２０Ｂの間に、チャンネル層７に対し非磁性絶縁層８１を介して形成されている。

図１３〜１５に示すスピン伝導素子４Ａの作製方法について、第３実施形態と異なる点について説明する。第３実施形態と異なり、冷却素子１１Ｂを下地絶縁層８０上には設置しない。第一参照電極２０Ａ、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂおよび第二参照電極２０Ｂを形成後、これらの上部以外のチャンネル層７の上面に非磁性絶縁層８１としてＡＬＤ法を用いたＳｉＯ_ｘを形成する。その後、別に作製され所定の大きさに加工された冷却素子１１Ｂを非磁性絶縁層８１上に設置し、熱を加えることで非磁性絶縁層８１と冷却素子１１Ｂを密着させる。

本発明のスピン伝導素子は、第１、第２、第３及び第４実施形態に限定されない。例えば、第一領域Ａ１のチャンネル層７を加熱する発熱素子１１Ａとチャンネル層７の第二領域Ａ２を冷却する冷却素子１１Ｂの両方を備えても良い。

（第５実施形態）
以下、第５実施形態に係る磁気センサ１００について説明する。磁気センサ１００はスピン伝導素子５を有している。まず、スピン伝導素子５について、上述したスピン伝導素子２Ａと異なる点について主に説明し、共通する事項は適宜説明を省略する。

図１６は、スピン伝導素子５の概略平面図（上面図）であり、図１７は、図１６におけるＹ７−Ｙ７線に沿った断面図に対応した磁気センサ１００の断面模式図であり、図１８は、図１６におけるＸ４−Ｘ４線に沿った断面図に対応した磁気センサ１００の断面模式図である。図１６〜１８に示すように、チャンネル層７は下地絶縁層８０および第二参照電極２０Ｂ上に設けられ、平面視形状において、ｙ方向が長辺方向である第１部位とｘ方向が長辺方向である第２部位とが接続されたＴ字形状である。チャンネル層７の第１部位と第２部位との接続部分（Ｔ字の交点部分）上に障壁層１４Ａを介して第一強磁性層１２Ａが設けられ、第１部位の両端上にそれぞれ第一参照電極２０Ａが設けられている。第一強磁性層１２Ａ及び第一参照電極２０Ａは、チャンネル層７の上面側に設けられている。また、図１６、１８に示すように、チャンネル層７の第２部位上に、障壁層１４Ｂを介して第二強磁性層１２Ｂが設けられ、第２部位の端部上に第二参照電極２０Ｂが設けられている。第二強磁性層１２Ｂは、チャンネル層７の上面側に設けられており、第二参照電極２０Ｂは、チャンネル層７の下面側に設けられている。

チャンネル層７の第１部位は、第一参照電極２０Ａと第一強磁性層１２Ａとが並ぶ方向（膜面内における方向）が長辺方向であり、その長辺方向に垂直な方向（膜面内における方向）が短辺方向である矩形の平面視形状を有している。チャンネル層７の第２部位は、第二強磁性層１２Ｂと第二参照電極２０Ｂとが並ぶ方向（膜面内における方向）が長辺方向であり、その長辺方向に垂直な方向（膜面内における方向）が短辺方向である矩形の平面視形状を有している。スピン伝導素子５では、第一参照電極２０Ａ、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ及び第二参照電極２０Ｂは、チャンネル層７において、この順に互いに離間して設けられている。

スピン伝導素子５では、上述したスピン伝導素子２Ａと同様に、発熱素子１１Ａがチャンネル層７の上面側における第一強磁性層１２Ａと第一参照電極２０Ａの間に、チャンネル層７に対し非磁性絶縁層８１を介して形成されているが、２つの第一参照電極２０Ａが設けられているため、発熱素子１１Ａは、２箇所に設けられている。尚、図１６は、理解を容易にするために、非磁性絶縁層８１を省略した図としている。

図１８に示すように、磁気センサ１００は、スピン伝導素子５と、下部磁気シールド２００と、上部第一磁気シールド４００Ａと、上部第二磁気シールド４００Ｂとを有している。

磁気センサ１００において、第一強磁性層１２Ａは、その磁化方向の変化により外部磁場を検出するための層として機能する。第一強磁性層１２Ａは、チャンネル層７において外部磁場の磁束Ｂが進入する側に配置されている。第一強磁性層１２Ａとして特に軟磁性材料が適用される。

磁気センサ１００において、第二強磁性層１２Ｂの保磁力は第一強磁性層１２Ａの保磁力よりも大きくなっている。磁気センサ１００では、反強磁性層８が、第二強磁性層１２Ｂ上に設けられており、反強磁性層８が第二強磁性層１２Ｂと交換結合することにより、第二強磁性層１２Ｂの磁化方向が固定（一方向異方性が付与）されている。この場合、反強磁性層８を設けない場合よりも、第二強磁性層１２Ｂの保磁力を大きくすることができる。反強磁性層８に用いられる材料は、第二強磁性層１２Ｂに用いられる材料に合わせて選択される。例えば、反強磁性層８として、Ｍｎを用いた反強磁性を示す合金、具体的にはＭｎと、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｐｄ及びＮｉのうちから選ばれる少なくとも一つの元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、例えば、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ等が挙げられる。第二強磁性層１２Ｂの磁化方向が固定されることにより、第二強磁性層１２Ｂの磁化の向きを外部磁場に反応し難くすることが可能となる。また、反強磁性層８上にはキャップ層９が設置されており、キャップ層９により、熱による元素拡散や結晶格子の歪みの影響を緩和させることができる。

第二強磁性層１２Ｂに形状異方性を持たせて、第二強磁性層１２Ｂの磁化を固定する場合には、反強磁性層８を省略することが可能である。例えば、第二強磁性層１２Ｂを、ｙ方向が長辺方向、ｘ方向が短辺方向となる矩形形状にすればよい。なお、反強磁性層８及び第二強磁性層１２Ｂの形状異方性の両方によって第二強磁性層１２Ｂの磁化を固定してもよい。第一強磁性層１２Ａの保磁力が第二強磁性層１２Ｂの保磁力に比べて非常に小さい場合、微小な外部磁場を検出することが可能となる。

上部第一磁気シールド４００Ａは、第一強磁性層１２Ａの上部に設けられ、第一強磁性層１２Ａと電気的に接続されている。上部第一磁気シールド４００Ａと２つの第一参照電極２０Ａとの間には電圧計が接続され、チャンネル層７を介した第一強磁性層１２Ａと第一参照電極２０Ａとの間の電圧が検出されるようになっている。

上部第二磁気シールド４００Ｂは、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの上部を覆うように設けられ、第一強磁性層１２Ａの上部に設置され、反強磁性層８及びキャップ層９を介して第二強磁性層１２Ｂと電気的に接続されている。上部第二磁気シールド４００Ｂと第二参照電極２０Ｂとの間には電流源が接続され、チャンネル層７を介して第二強磁性層１２Ｂと第二参照電極２０Ｂとの間に電流が印加されるようになっている。

第二強磁性層１２Ｂと第二参照電極２０Ｂの間に電流が印加され、第一強磁性層１２Ａと第一参照電極２０Ａの間の電圧を測定することにより外部磁場を検出することが可能となる。外部磁場の変化に応じて、第一強磁性層１２Ａと第二強磁性層１２Ｂの磁化の相対角が変化して、チャンネル層７を介した第一強磁性層１２Ａと第一参照電極２０Ａとの間の電圧が変化する。

磁気センサ１００は、高いＳ／Ｎを得ることができるスピン伝導素子５を有するので、精度よく外部磁場を検出することができる。

第５実施形態の磁気センサ１００は、第二強磁性層１２Ｂの保磁力が第一強磁性層１２Ａの保磁力よりも大きく、第一強磁性層１２Ａが、その磁化方向の変化により外部磁場を検出するための層として機能する例であるが、第一強磁性層１２Ａの保磁力を第二強磁性層１２Ｂの保磁力よりも大きくし、第二強磁性層１２Ｂを、その磁化方向の変化により外部磁場を検出するための層として機能させるようにしても良い。

また、第５実施形態の磁気センサ１００は、第一領域Ａ１を加熱する発熱素子１１Ａを有する例であるが、発熱素子１１Ａにかえて第二領域Ａ２を冷却する冷却素子１１Ｂを有するようにしても良い。また、発熱素子１１Ａと冷却素子１１Ｂの両方を有するようにしても良い。

（実施例１）
以下に、実施例１として、第１実施形態に係るスピン伝導素子１の具体的な一例について説明する。まず、予め準備した基板２１としてのＡｌＴｉＣ基板に、アライメントマークを形成した。続いて、下地絶縁層８０として、厚さ５ｎｍのＳｉＯ_ｘを基板２１の全面に形成した。

その後、チャンネル層７および発熱素子１１Ａとなる、ＣＺ法によって作製されたＳｉを下地絶縁層８０上に貼り付けた。このＳｉ（Ｓｉ層）の厚さは５０ｎｍとした。イオン注入技術によってリンをＳｉ層に打ち込み、不純物濃度を調整した。このときの不純物濃度は、５×１０^１９／ｃｍ^３であり、不純物を活性化するためにＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）法によってアニールを行った。

Ｓｉ層のアニールによる結晶化後、ＲＣＡ洗浄及びフッ酸によりＳｉ層の表面を洗浄した。続いて、ＭＢＥ法によりＳｉ層上に障壁層としてＭｇＯ層を１ｎｍ、強磁性層としてＦｅ層を５ｎｍ、保護膜としてＴｉ層を３ｎｍこの順に形成した。

チャンネル層７を図１のような細線形状に加工できるようにフォトマスクをし、イオンミリング法及び化学的エッチングによって余計な部分を除去し、チャンネル層７の寸法が４０００×８０×５０ｎｍ（ｘ方向の寸法×ｙ方向の寸法×ｚ方向の寸法であり、以降の寸法の記載も同じであるが、ｚ方向の寸法は省略する場合がある。）となるようにした。同時に、図１のようにチャンネル層７からｙ方向に２０ｎｍ離間させてチャンネル層７の第一領域Ａ１となる部分の横に発熱素子１１Ａ（５２０×４０×５０ｎｍ）を形成した。発熱素子１１ＡのＳｉ層上のＭｇＯ層、Ｆｅ層及びＴｉ層はイオンミリング法にて除去した。その後、チャンネル層７と発熱素子１１Ａの間に非磁性絶縁層８１としてＳｉＯ_ｘを成膜して充填した。

次に、フォトリソグラフィ法により、第一強磁性層１２Ａ（４０×８０ｎｍ）及び第二強磁性層１２Ｂ（２０×８０ｎｍ）をそれぞれ括弧内の寸法の矩形状に加工するためのマスクを形成した。このマスクを用いて、イオンミリング法により、チャンネル層７上の不要なＭｇＯ層、Ｆｅ層及びＴｉ層及と、チャンネル層７の一部を除去した。これにより、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂを形成した。その後、Ａｌ層を厚さ２０ｎｍ形成して、フォトリソグラフィ法により第一参照電極２０Ａ（８０×８０ｎｍ）及び第二参照電極２０Ｂ（８０×８０ｎｍ）をそれぞれ括弧内の寸法に形成した。第一強磁性層１２Ａと第二強磁性層１２Ｂの間隔（第一強磁性層１２Ａと第二強磁性層１２Ｂ間の距離（最短距離））は８０ｎｍ、第一強磁性層１２Ａと第一参照電極２０Ａの間隔（第一強磁性層１２Ａと第一参照電極２０Ａの間の距離（最短距離））は４００ｎｍ、第二強磁性層１２Ｂと第二参照電極２０Ｂの間隔（第二強磁性層１２Ｂと第二参照電極２０Ｂの間の距離（最短距離））は４００ｎｍとした。以上のようにして、スピン伝導素子１を作製した。

次に、第二強磁性層１２Ｂと第二参照電極２０Ｂを電流源に接続した。また、第一強磁性層１２Ａ及び第一参照電極２０Ａに電圧計を接続し、チャンネル層７に流れるスピンを電圧として検出した。

発熱素子１１Ａに電流源を接続し、発熱素子１１Ａを機能させ、外部磁場をｙ軸方向に印可した場合のスピン出力の測定結果を図１９に示す。発熱素子１１Ａは以下のようにして機能させた。第二強磁性層１２Ｂと第二参照電極２０Ｂに一定の電流を流しながら、発熱素子１１Ａに１ｓｅｃの長さのパルス電流を流し、バックグラウンド電圧を観測した。パルス電流を流した後、バックグラウンド電圧が下がった場合には再度同じパルス電流を流した。これを、パルス電流を流した後でバックグラウンド電圧が変化しない状態になるまで繰り返した。バックグラウンド電圧が変化しない状態になった後は、１ｍｓｅｃの長さのパルス電流を発熱素子１１Ａに流して、バックグラウンド電圧が維持できるように調整した。第二強磁性層１２Ｂと第二参照電極２０Ｂの間に流す電流は１００μＡとした。図１９に示したようにスピン出力は２９μＶであり、バックグラウンド電圧は２０μＶであった。

（実施例２）
次に、実施例２として、第２実施形態に係るスピン伝導素子２の具体的な一例について説明する。基板２１上に下地絶縁層８０を形成する前に、発熱素子１１ＡとなるＳｉ膜を厚さ１０ｎｍで形成した。フォトマスクを用いたイオンミリング法により、第一領域Ａ１に対応した位置（基板２１の表面における、第一領域Ａ１と積層方向から見て重なる領域）に、第一領域Ａ１の平面視形状と同じ形状及び大きさ（５２０×８０ｎｍ）に発熱素子１１Ａを形成した。その後、ＳｉＯ_ｘを成膜し、ＣＭＰによってＳｉＯ_ｘを平坦化して、厚さ２０ｎｍの下地絶縁層８０を形成した。その後は、Ｓｉのエッチング加工時に発熱素子１１Ａを形成しないこと以外は実施例１と同様にしてチャンネル層７、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、第一参照電極２０Ａ及び第二参照電極２０Ｂを形成した。以上のようにして、スピン伝導素子２を作製した。

実施例１と同様にして、スピン伝導素子２のスピン出力の測定を行った。実施例１と同様に発熱素子１１Ａを機能させた場合は、スピン出力は２８μＶであり、バックグラウンド電圧は１０μＶであった。

（実施例３）
次に、実施例３として、図６〜８に示すスピン伝導素子２Ａの具体的な一例について説明する。Ｓｉのエッチング加工時に発熱素子１１Ａを形成しないこと以外は実施例１と同様にしてチャンネル層７、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、第一参照電極２０Ａ及び第二参照電極２０Ｂを形成した後、第一参照電極２０Ａ、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ及び第二参照電極２０Ｂの上部以外のチャンネル層７の上面に、非磁性絶縁層８１としてＡＬＤ法を用いて厚さ１０ｎｍのＳｉＯ_ｘを形成した。その後、発熱素子１１Ａとして厚さ１０ｎｍのＳｉをスパッタリング法によって第一参照電極２０Ａと第一強磁性層１２Ａとの間の非磁性絶縁層８１上に３６０×８０ｎｍの寸法で形成した。以上のようにして、スピン伝導素子２Ａを作製した。

実施例１と同様にして、スピン伝導素子２Ａのスピン出力の測定を行った。実施例１と同様に発熱素子１１Ａを機能させた場合は、スピン出力は３０μＶであり、バックグラウンド電圧は４μＶであった。

（実施例４）
次に、実施例４として、第３実施形態に係るスピン伝導素子３の具体的な一例について説明する。発熱素子１１Ａにかえて冷却素子１１Ｂをチャンネル層７の側面側における第二領域Ａ２に対応した位置（チャンネル層７の長辺方向に沿った側面側から見て第二領域Ａ２と重なる位置）に設置した以外は、実施例１と同様にしてスピン伝導素子３を作製した。冷却素子１１Ｂは、ｎ型とｐ型のＳｉＧｅの接合素子（５００×８０×５０ｎｍ）であり、下地絶縁層８０上にチャンネル層７からｙ方向に２０ｎｍ離間させて冷却素子１１Ｂを設置し、加熱することによって下地絶縁層８０と冷却素子１１Ｂを密着させた。また、実施例１と同様にして、チャンネル層７と冷却素子１１Ｂの間に非磁性絶縁層８１としてＳｉＯ_ｘを成膜して充填した。

冷却素子１１Ｂに電流源を接続し、冷却素子１１Ｂを機能させ、実施例１と同様に外部磁場をｙ軸方向に印可してスピン伝導素子３のスピン出力の測定を行った。冷却素子１１Ｂは以下のようにして機能させた。第二強磁性層１２Ｂと第二参照電極２０Ｂに一定の電流を流しながら、冷却素子１１Ｂに１ｓｅｃの長さのパルス電流を流し、バックグラウンド電圧を観測した。パルス電流を流した後、バックグラウンド電圧が下がった場合には再度同じパルス電流を流した。これを、パルス電流を流した後でバックグラウンド電圧が変化しない状態になるまで繰り返した。バックグラウンド電圧が変化しない状態になった後は、１ｍｓｅｃの長さのパルス電流を冷却素子１１Ｂに流して、バックグラウンド電圧が維持できるように調整した。第二強磁性層１２Ｂと第二参照電極２０Ｂの間に流す電流は、実施例１と同様に１００μＡとした。スピン出力は３２μＶであり、バックグラウンド電圧は１８μＶであった。

（実施例５）
次に、実施例５として、第４実施形態に係るスピン伝導素子４の具体的な一例について説明する。発熱素子１１Ａにかえて冷却素子１１Ｂを基板２１上の第二領域Ａ２に対応した位置（基板２１の表面における、第二領域Ａ２と積層方向から見て重なる領域）に設置した以外は、実施例２と同様にしてスピン伝導素子４を作製した。冷却素子１１Ｂは、ｎ型とｐ型のＳｉＧｅの接合素子（５００×８０×５０ｎｍ）であり、基板２１上に冷却素子１１Ｂを設置し、加熱することによって基板２１と冷却素子１１Ｂを密着させた。

実施例４と同様にして、スピン伝導素子４のスピン出力の測定を行った。実施例４と同様に冷却素子１１Ｂを機能させた場合は、スピン出力は３０μＶであり、バックグラウンド電圧は７μＶであった。

（実施例６）
実施例６として、図１３〜１５に示すスピン伝導素子４Ａの具体的な一例について説明する。発熱素子１１Ａにかえて冷却素子１１Ｂを第二参照電極２０Ｂと第二強磁性層１２Ｂとの間の非磁性絶縁層８１上に設置した以外は、実施例３と同様にしてスピン伝導素子４Ａを作製した。冷却素子１１Ｂは、ｎ型とｐ型のＳｉＧｅの接合素子（３６０×８０×５０ｎｍ）であり、非磁性絶縁層８１上に冷却素子１１Ｂを設置し、加熱することによって非磁性絶縁層８１と冷却素子１１Ｂを密着させた。

実施例４と同様にして、スピン伝導素子４のスピン出力の測定を行った。実施例４と同様に冷却素子１１Ｂを機能させた場合は、スピン出力は３３μＶであり、バックグラウンド電圧は４μＶであった。

（比較例）
比較例１のスピン伝導素子として、実施例１のスピン伝導素子１において、発熱素子１１Ａを形成しないスピン伝導素子を作製した。また、比較例２のスピン伝導素子として、実施例２のスピン伝導素子２において、発熱素子１１Ａを形成しないスピン伝導素子を作製した。実施例１と同様にして、比較例１および比較例２のスピン伝導素子のスピン出力の測定を行った。比較例１のスピン伝導素子のスピン出力は２９μＶであり、バックグラウンド電圧は２３０μＶであった。比較例２のスピン伝導素子のスピン出力は２９μＶであり、バックグラウンド電圧は２４３μＶであった。表１に、実施例１〜６及び比較例１〜２のスピン伝導素子のスピン出力およびバックグラウンド電圧の測定結果を示す。

実施例１〜６は、同構造で発熱素子１１Ａや冷却素子１１Ｂを有さない比較例１および比較例２よりもバックグラウンドの電圧が１桁以上低いことがわかる。スピン出力は実施例１〜６及び比較例１〜２においてほぼ変化しないため、実施例１〜６の方が高いＳ／Ｎ比を得ることできることがわかる。

１、２、２Ａ、３、４、４Ａ、５…スピン伝導素子
７…チャンネル層
８…反強磁性層
９…キャップ層
１１Ａ…発熱素子
１１Ｂ…冷却素子
１２Ａ…第一強磁性層
１２Ｂ…第二強磁性層
１４Ａ、１４Ｂ…障壁層
２０Ａ…第一参照電極
２０Ｂ…第二参照電極
２１…基板
８０…下地絶縁層
８１…非磁性絶縁層
８１Ｂ…第二絶縁層
２００…下部磁気シールド
４００Ａ…上部第一磁気シールド
４００Ｂ…上部第二磁気シールド
Ａ１…第一領域
Ａ２…第二領域
Ａ１１、Ａ１２、Ａ１３、Ａ２１、Ａ２２、Ａ２３…領域

Claims (5)

1. チャンネル層と、第一参照電極と、第一強磁性層と、第二強磁性層と、第二参照電極とを有し、
   前記第一参照電極と、前記第一強磁性層と、前記第二強磁性層と、前記第二参照電極とは、前記チャンネル層上に前記チャンネル層を介して互いに離間して設けられ、
   前記チャンネル層は、前記第一参照電極と積層方向から見て重なる領域と前記第一強磁性層と積層方向から見て重なる領域とそれらの間の領域からなる第一領域と、前記第二強磁性層と積層方向から見て重なる領域と前記第二参照電極と積層方向から見て重なる領域とそれらの間の領域からなる第二領域とを有し、
   前記第一領域と前記第二領域は離間しており、
   前記第二強磁性層及び前記第二参照電極が電流が印可される部分であり、
   前記第一強磁性層及び前記第一参照電極が電圧が検出される部分であり、
   前記第一領域を加熱する発熱素子および前記第二領域を冷却する冷却素子の少なくとも一方を有することを特徴とするスピン伝導素子。
2. 前記発熱素子または前記冷却素子は、前記チャンネル層に対し、前記チャンネル層に接する非磁性絶縁層を介して設置されていることを特徴とする請求項１に記載のスピン伝導素子。
3. 前記発熱素子または前記冷却素子は、前記チャンネル層の積層面側に設置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスピン伝導素子。
4. 前記発熱素子または前記冷却素子は、前記チャンネル層の側面側に設置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載のスピン伝導素子を有する磁気センサ。

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