JP2017191953A

JP2017191953A - 積層体

Info

Publication number: JP2017191953A
Application number: JP2017145019A
Authority: JP
Inventors: 勇人小池; Yuto Koike; 亨及川; Toru Oikawa; 智生佐々木; Tomoo Sasaki
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2017-07-27
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2017-10-19
Anticipated expiration: 2033-02-06
Also published as: JP6394759B2

Abstract

【課題】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。【解決手段】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を備え、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有するスピン注入電極構造。【選択図】図２

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。

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。

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。

トンネルバリア層の材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３（非特許文献１）、ＳｉＯ_２（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。

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（ｃｕｂｉｃｏｎｃｕｂｉｃ）で−２２．４％、面内で４５度回転して成長した場合（４５ｄｅｇｒｏｔａｔｉｏｎ）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。

特開２００４−１１１９０４号公報

ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．９１，ｐ２１２１０９，（２００７）ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．９５，ｐ１７２１０２，（２００９）ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．２，ｐ０５３００３，（２００９）ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．４，ｐ０２３００３，（２０１１）

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本実施形態に係るスピン伝導素子の斜視図である。図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。非局所スピンバルブ測定における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。非局所Ｈａｎｌｅ効果測定における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。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（ｍｏｌ％）と素子の面積抵抗（ｋΩ・μｍ^２）との関係を示すグラフである。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（ｍｏｌ％）と素子の非局所スピンバルブ測定で検出された電圧出力（μＶ（規格化））との関係を示すグラフである。

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。

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。

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。

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（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）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。

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、１．０×１０^１６〜１．０×１０^２２ｃｍ^−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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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：ＡＢ_２Ｏ_４）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：ＡＢ_２Ｏ_４）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−Ａｌ_２Ｏ_３の格子定数（ａ＝７．９１Å）からＺｎＡｌ_２Ｏ_４またはＭｇＡｌ_２Ｏ_４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％（４５ｄｅｇｒｏｔａｔｉｏｎ）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。

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。

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。

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。

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（Ｘ_２ＹＺの組成で、Ｌ２_１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。

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。

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。

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。

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ＳｉＯ_２である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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％（４５ｄｅｇｒｏｔａｔｉｏｎ）、−１．４〜＋０．８％（４５ｄｅｇｒｏｔａｔｉｏｎ）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。

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。

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。

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。

（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５．０×１０^１９ｃｍ^−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。

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。

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。

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。

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ＳｉＯ_２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。

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。

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・μｍ^２）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。

（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。

（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・μｍ^２、非局所出力は検出されなかった。

（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・μｍ^２、非局所出力は検出されなかった。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims

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、主成分である前記酸化アルミニウムに、亜鉛イオンが置換固溶しており、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１０〜３０ｍｏｌ％の範囲であることを特徴とする積層体。
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、主成分である前記酸化アルミニウムに、マグネシウムイオンが置換固溶しており、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２０〜３０ｍｏｌ％の範囲であることを特徴とする積層体。