JP3217703B2 - 磁性体デバイス及びそれを用いた磁気センサ - Google Patents
磁性体デバイス及びそれを用いた磁気センサInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、微小領域の微弱な
磁場を検知する磁界検知デバイス等として用いられる磁
性体デバイス及びそれを用いた磁気センサに関する。
磁場を検知する磁界検知デバイス等として用いられる磁
性体デバイス及びそれを用いた磁気センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】磁気記録の高密度化及び高速化は、磁気
記録媒体の改良と並んで、磁気記録装置の進歩、なかで
も磁気記録の書込み及び読出しに用いられる磁気ヘッド
の進歩に負うところが多い。例えば、近年の磁気記録媒
体の小型化及び大容量化に伴って、磁気記録媒体と読出
し用磁気ヘッドとの相対速度は小さくなってきている。
そこで、小さな相対速度であっても大きな出力が取り出
せる新しいタイプの読出し用磁気ヘッドとして、磁気抵
抗効果ヘッド（以下、ＭＲヘッドと記す）と呼ばれる磁
気ヘッド、特に巨大磁気抵抗効果ヘッド（以下、ＧＭＲ
ヘッドと記す）が注目されている。ＧＭＲヘッドは磁性
体と非磁性体との積層膜が示す大きな磁気抵抗効果を利
用したもので、種々のタイプのものが提案されている。
なかでも、スピンバルブと呼ばれるタイプのＧＭＲヘッ
ドが有望視されている。
記録媒体の改良と並んで、磁気記録装置の進歩、なかで
も磁気記録の書込み及び読出しに用いられる磁気ヘッド
の進歩に負うところが多い。例えば、近年の磁気記録媒
体の小型化及び大容量化に伴って、磁気記録媒体と読出
し用磁気ヘッドとの相対速度は小さくなってきている。
そこで、小さな相対速度であっても大きな出力が取り出
せる新しいタイプの読出し用磁気ヘッドとして、磁気抵
抗効果ヘッド（以下、ＭＲヘッドと記す）と呼ばれる磁
気ヘッド、特に巨大磁気抵抗効果ヘッド（以下、ＧＭＲ
ヘッドと記す）が注目されている。ＧＭＲヘッドは磁性
体と非磁性体との積層膜が示す大きな磁気抵抗効果を利
用したもので、種々のタイプのものが提案されている。
なかでも、スピンバルブと呼ばれるタイプのＧＭＲヘッ
ドが有望視されている。
【０００３】上述のスピンバルブ型のＧＭＲヘッドは、
反強磁性体層上に強磁性層／非磁性層／強磁性層を積層
した構造が基本となっており、下部強磁性層の磁化の向
きは反強磁性体層との間に働く交換相互作用によって空
間的に固定されている。一方、上部強磁性層の磁化は、
非磁性層を介して下部強磁性層の磁化と弱く相互作用し
ているが、非磁性層の厚さを適当に選択することによっ
て、下部強磁性層と反強磁性的に結合させることができ
る。即ち、外部磁場が零の状態では、上部強磁性層の磁
化は下部強磁性層の磁化と逆向きに結合している。この
反強磁性的な磁気結合は弱いため、下部強磁性層の磁化
の向きに外部磁場を加えると、上部強磁性層の磁化の向
きは容易に逆転する。即ち、外部磁場の下では上下の強
磁性層の磁化は同じ方向を向くことになる。
反強磁性体層上に強磁性層／非磁性層／強磁性層を積層
した構造が基本となっており、下部強磁性層の磁化の向
きは反強磁性体層との間に働く交換相互作用によって空
間的に固定されている。一方、上部強磁性層の磁化は、
非磁性層を介して下部強磁性層の磁化と弱く相互作用し
ているが、非磁性層の厚さを適当に選択することによっ
て、下部強磁性層と反強磁性的に結合させることができ
る。即ち、外部磁場が零の状態では、上部強磁性層の磁
化は下部強磁性層の磁化と逆向きに結合している。この
反強磁性的な磁気結合は弱いため、下部強磁性層の磁化
の向きに外部磁場を加えると、上部強磁性層の磁化の向
きは容易に逆転する。即ち、外部磁場の下では上下の強
磁性層の磁化は同じ方向を向くことになる。
【０００４】ここで、強磁性層／非磁性層／強磁性層構
造を有する積層膜の電気抵抗は、上下の強磁性層の相対
的な磁化の向きに依存することが知られており、その原
因は磁性体中では伝導電子の散乱がそのスピン磁気モー
メントに依存するためである。上記した積層膜の磁化の
相対的な向きは外部磁場に依存するので、その電気抵抗
は外部磁場に強く依存することになり、この現象は巨大
磁気抵抗効果と呼ばれている。スピンバルブ型のＧＭＲ
ヘッドはこの巨大磁気抵抗効果を利用して磁気記録の読
出しを行うものである。
造を有する積層膜の電気抵抗は、上下の強磁性層の相対
的な磁化の向きに依存することが知られており、その原
因は磁性体中では伝導電子の散乱がそのスピン磁気モー
メントに依存するためである。上記した積層膜の磁化の
相対的な向きは外部磁場に依存するので、その電気抵抗
は外部磁場に強く依存することになり、この現象は巨大
磁気抵抗効果と呼ばれている。スピンバルブ型のＧＭＲ
ヘッドはこの巨大磁気抵抗効果を利用して磁気記録の読
出しを行うものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述の巨大磁気抵抗効
果を利用した磁気ヘッドは、優れた特性を有している反
面、いくつかの欠点も有している。その主な原因は、巨
大磁気抵抗効果を示す積層膜が電気抵抗の小さい金属積
層膜であるため、十分な出力電圧を得るためには、積層
膜に流す電流の電流密度を高くしなければならないこと
による。このようにデバイスに流す電流の電流密度を高
くすると、高い電流密度に伴うデバイスの発熱、エレク
トロマイグレーション、電流による磁場の発生等を招
き、これらがデバイス動作を不安定にする要因となって
いる。
果を利用した磁気ヘッドは、優れた特性を有している反
面、いくつかの欠点も有している。その主な原因は、巨
大磁気抵抗効果を示す積層膜が電気抵抗の小さい金属積
層膜であるため、十分な出力電圧を得るためには、積層
膜に流す電流の電流密度を高くしなければならないこと
による。このようにデバイスに流す電流の電流密度を高
くすると、高い電流密度に伴うデバイスの発熱、エレク
トロマイグレーション、電流による磁場の発生等を招
き、これらがデバイス動作を不安定にする要因となって
いる。
【０００６】また、より大きな磁気抵抗効果は、積層膜
に垂直方向に電流を流した場合に期待されるが、この方
向では抵抗の絶対値が極めて小さいため、現状のＧＭＲ
ヘッド構造では実用的なデバイスは得ることができな
い。
に垂直方向に電流を流した場合に期待されるが、この方
向では抵抗の絶対値が極めて小さいため、現状のＧＭＲ
ヘッド構造では実用的なデバイスは得ることができな
い。
【０００７】このように、従来の磁気抵抗効果を利用し
た磁気ヘッドでは、十分な出力電圧を得るためには積層
膜に流す電流の電流密度を高くしなければならず、この
高電流密度化に伴うデバイスの発熱、エレクトロマイグ
レーション、磁場の発生等を解消することが課題とされ
ている。また、より大きな磁気抵抗効果が期待できる積
層膜に垂直方向に電流を流した場合においても、小さな
電流密度で十分な出力電圧が得られるような磁気ヘッド
構造が求められている。
た磁気ヘッドでは、十分な出力電圧を得るためには積層
膜に流す電流の電流密度を高くしなければならず、この
高電流密度化に伴うデバイスの発熱、エレクトロマイグ
レーション、磁場の発生等を解消することが課題とされ
ている。また、より大きな磁気抵抗効果が期待できる積
層膜に垂直方向に電流を流した場合においても、小さな
電流密度で十分な出力電圧が得られるような磁気ヘッド
構造が求められている。
【０００８】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、小さな電流密度で良好に動作すると
共に、より高い感度を示す磁性体デバイス、及びそれを
用いた磁気センサを提供することを目的としている。
になされたもので、小さな電流密度で良好に動作すると
共に、より高い感度を示す磁性体デバイス、及びそれを
用いた磁気センサを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の視点の磁
性体デバイスは、第１及び第２磁性体膜と、前記第１及
び第２磁性体膜間に介在する非磁性体膜と、を含む積層
膜と、前記積層膜の一方の面にショットキー接合を介し
て接続された半導体層を含む電子収集部と、前記積層膜
の他方の面にトンネル接合部を介して接続された金属膜
を含む電子注入部と、を具備することを特徴とする。
性体デバイスは、第１及び第２磁性体膜と、前記第１及
び第２磁性体膜間に介在する非磁性体膜と、を含む積層
膜と、前記積層膜の一方の面にショットキー接合を介し
て接続された半導体層を含む電子収集部と、前記積層膜
の他方の面にトンネル接合部を介して接続された金属膜
を含む電子注入部と、を具備することを特徴とする。
【００１０】本発明の第２の視点の磁性体デバイスは、
第１磁性体膜と非磁性体膜とを有する積層膜と、前記第
１磁性体膜にショットキー接合を介して接続された半導
体層を含む電子収集部と、前記非磁性体膜にトンネル接
合部を介して接続された第２磁性体膜を含む電子注入部
と、を具備することを特徴とする。
第１磁性体膜と非磁性体膜とを有する積層膜と、前記第
１磁性体膜にショットキー接合を介して接続された半導
体層を含む電子収集部と、前記非磁性体膜にトンネル接
合部を介して接続された第２磁性体膜を含む電子注入部
と、を具備することを特徴とする。
【００１１】本発明の第３の視点の磁性体デバイスは、
第１または第２の視点において、前記第１及び第２磁性
体膜が互いに異なる保磁力を有するように設定されるこ
とを特徴とする。
第１または第２の視点において、前記第１及び第２磁性
体膜が互いに異なる保磁力を有するように設定されるこ
とを特徴とする。
【００１２】本発明の第４の視点の磁性体デバイスは、
第１乃至第３の視点のいずれかにおいて、前記トンネル
接合部が、第１及び第２障壁層と、前記第１及び第２障
壁層間に介在する量子井戸層と、を含む共鳴トンネル構
造を具備することを特徴とする。
第１乃至第３の視点のいずれかにおいて、前記トンネル
接合部が、第１及び第２障壁層と、前記第１及び第２障
壁層間に介在する量子井戸層と、を含む共鳴トンネル構
造を具備することを特徴とする。
【００１３】本発明の第５の視点の磁性体デバイスは、
第１及び第２障壁層と、前記第１及び第２障壁層間に介
在する第１磁性体膜からなる量子井戸層と、を含む共鳴
トンネル構造を有するトンネル接合部と、前記トンネル
接合部の一方の面に接続された電子収集部と、前記トン
ネル接合部の他方の面に接続された電子注入部と、前記
電子注入部は前記第１磁性体膜よりも低い保磁力を有す
る第２磁性体膜を含むことと、を具備することを特徴と
する。
第１及び第２障壁層と、前記第１及び第２障壁層間に介
在する第１磁性体膜からなる量子井戸層と、を含む共鳴
トンネル構造を有するトンネル接合部と、前記トンネル
接合部の一方の面に接続された電子収集部と、前記トン
ネル接合部の他方の面に接続された電子注入部と、前記
電子注入部は前記第１磁性体膜よりも低い保磁力を有す
る第２磁性体膜を含むことと、を具備することを特徴と
する。
【００１４】本発明の第６の視点の磁性体デバイスは、
第５の視点において、前記電子収集部が前記トンネル接
合部にショットキー接合を介して接続された半導体層を
含むことを特徴とする。
第５の視点において、前記電子収集部が前記トンネル接
合部にショットキー接合を介して接続された半導体層を
含むことを特徴とする。
【００１５】本発明の第７の視点の磁性体デバイスは、
第６の視点において、前記トンネル接合部が前記半導体
層と前記ショットキー接合を形成する第３磁性体膜を含
み、前記第３磁性体膜は前記第２磁性体膜と実質的に同
じ保磁力を有することを特徴とする。
第６の視点において、前記トンネル接合部が前記半導体
層と前記ショットキー接合を形成する第３磁性体膜を含
み、前記第３磁性体膜は前記第２磁性体膜と実質的に同
じ保磁力を有することを特徴とする。
【００１６】本発明の第８の視点の磁性体デバイスは、
第５の視点において、前記電子収集部が第３磁性体膜を
含み、前記第３磁性体膜は前記第２磁性体膜と実質的に
同じ保磁力を有することを特徴とする。
第５の視点において、前記電子収集部が第３磁性体膜を
含み、前記第３磁性体膜は前記第２磁性体膜と実質的に
同じ保磁力を有することを特徴とする。
【００１７】本発明の第９の視点の磁気センサは、請求
項１乃至８のいずれかに記載の磁性体デバイスと、前記
電子注入部に電圧を印加する電源と、前記電子収集部か
ら流出する電流を検出する手段と、を具備し、外部磁界
により前記第１及び第２磁性体膜の磁化方向の相対関係
が変化することにより前記電子収集部から流出する電流
が変化し、この電流の変化に基づいて前記外部磁場が検
知されることを特徴とする。
項１乃至８のいずれかに記載の磁性体デバイスと、前記
電子注入部に電圧を印加する電源と、前記電子収集部か
ら流出する電流を検出する手段と、を具備し、外部磁界
により前記第１及び第２磁性体膜の磁化方向の相対関係
が変化することにより前記電子収集部から流出する電流
が変化し、この電流の変化に基づいて前記外部磁場が検
知されることを特徴とする。
【００１８】本発明の磁性体デバイスにおいては、磁性
体膜や、磁性体膜と非磁性体膜との積層膜に対して垂直
方向に流れる電子のスピン散乱を利用しているため、原
理的により高い感度が得られる。また、トンネル接合や
ショットキー接合が印加電圧をささえる構造になってい
ると共に、ショットキー障壁が示す高い接合抵抗によっ
て、所望のバイアス電圧の下で適当な電流値を容易に得
ることができる。
体膜や、磁性体膜と非磁性体膜との積層膜に対して垂直
方向に流れる電子のスピン散乱を利用しているため、原
理的により高い感度が得られる。また、トンネル接合や
ショットキー接合が印加電圧をささえる構造になってい
ると共に、ショットキー障壁が示す高い接合抵抗によっ
て、所望のバイアス電圧の下で適当な電流値を容易に得
ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】まず、図１乃至図４を参照して、
本発明に係る磁性体デバイス及びそれを用いた磁気セン
サの原理を説明する。磁性体の中では、電子状態密度に
関し、アップスピンバンドとダウンスピンバンドとが分
裂している。例えば、図１（ａ）に示すように、磁性体
膜Ｆ１／非磁性体膜Ｎ１／磁性体膜Ｆ２構造の積層膜Ｍ
ＬＦにおいて、磁性体膜Ｆ１、Ｆ２の磁化方向ＭＤ１、
ＭＤ２が逆向きであるとする。この場合、図１（ｂ）、
（ｃ）に示すように、磁性体膜Ｆ１、Ｆ２における電子
状態密度は、アップスピン電子（図において上向き矢印
で示す）及びダウンスピン電子（図において下向き矢印
で示す）に関して逆の特性を有するようになる。
本発明に係る磁性体デバイス及びそれを用いた磁気セン
サの原理を説明する。磁性体の中では、電子状態密度に
関し、アップスピンバンドとダウンスピンバンドとが分
裂している。例えば、図１（ａ）に示すように、磁性体
膜Ｆ１／非磁性体膜Ｎ１／磁性体膜Ｆ２構造の積層膜Ｍ
ＬＦにおいて、磁性体膜Ｆ１、Ｆ２の磁化方向ＭＤ１、
ＭＤ２が逆向きであるとする。この場合、図１（ｂ）、
（ｃ）に示すように、磁性体膜Ｆ１、Ｆ２における電子
状態密度は、アップスピン電子（図において上向き矢印
で示す）及びダウンスピン電子（図において下向き矢印
で示す）に関して逆の特性を有するようになる。
【００２０】図２（ａ）は積層膜ＭＬＦの磁性体膜Ｆ１
にトンネル障壁ＴＢを介して非磁性体膜Ｎ２が接続され
ると共に、磁性体膜Ｆ２にシリコン等からなる半導体膜
ＳＥＭがショットキー接合されたデバイスを示す。この
デバイスにおいて、非磁性体膜Ｎ２が負となるように非
磁性体膜Ｎ２と積層膜ＭＬＦとの間に電圧が印加される
と、非磁性体膜Ｎ２からは、磁性体膜Ｆ１、Ｆ２のフェ
ルミ準位ＥF より高いエネルギーＥＮを有する電子（ホ
ットエレクトロン）が発生する。
にトンネル障壁ＴＢを介して非磁性体膜Ｎ２が接続され
ると共に、磁性体膜Ｆ２にシリコン等からなる半導体膜
ＳＥＭがショットキー接合されたデバイスを示す。この
デバイスにおいて、非磁性体膜Ｎ２が負となるように非
磁性体膜Ｎ２と積層膜ＭＬＦとの間に電圧が印加される
と、非磁性体膜Ｎ２からは、磁性体膜Ｆ１、Ｆ２のフェ
ルミ準位ＥF より高いエネルギーＥＮを有する電子（ホ
ットエレクトロン）が発生する。
【００２１】ここでまず、図２（ａ）に示すように、磁
性体膜Ｆ１、Ｆ２の磁化方向ＭＤ１、ＭＤ２が逆向き
（反平行）のままであるとする。この場合、エネルギー
ＥＮにおける磁性体膜Ｆ１の電子状態密度は、ダウンス
ピン電子に対して高く、アップスピン電子に対して実質
的に零である。このため、非磁性体膜Ｎ２からは、ダウ
ンスピン電子のみがトンネル障壁ＴＢを通過し、磁性体
膜Ｆ１に至る。しかし、エネルギーＥＮにおける磁性体
膜Ｆ２の電子状態密度はダウンスピン電子に対して実質
的に零である。このため、トンネル障壁ＴＢを通過した
ダウンスピン電子は磁性体膜Ｆ２により反射され、磁性
体膜Ｆ１から磁性体膜Ｆ２に進むことはできない。
性体膜Ｆ１、Ｆ２の磁化方向ＭＤ１、ＭＤ２が逆向き
（反平行）のままであるとする。この場合、エネルギー
ＥＮにおける磁性体膜Ｆ１の電子状態密度は、ダウンス
ピン電子に対して高く、アップスピン電子に対して実質
的に零である。このため、非磁性体膜Ｎ２からは、ダウ
ンスピン電子のみがトンネル障壁ＴＢを通過し、磁性体
膜Ｆ１に至る。しかし、エネルギーＥＮにおける磁性体
膜Ｆ２の電子状態密度はダウンスピン電子に対して実質
的に零である。このため、トンネル障壁ＴＢを通過した
ダウンスピン電子は磁性体膜Ｆ２により反射され、磁性
体膜Ｆ１から磁性体膜Ｆ２に進むことはできない。
【００２２】次に、図２（ｂ）に示すように、外部磁場
により磁性体膜Ｆ２の磁化方向が変化し、磁性体膜Ｆ
１、Ｆ２の磁化方向ＭＤ１、ＭＤ２が同じ（平行）とな
ったとする。この場合、エネルギーＥＮにおける磁性体
膜Ｆ１、Ｆ２の電子状態密度は共に、ダウンスピン電子
に対して高く、アップスピン電子に対して実質的に零で
ある。このため、非磁性体膜Ｎ２からは、ダウンスピン
電子のみがトンネル障壁ＴＢ及び磁性体膜Ｆ１を通過
し、更に、反射されることなく磁性体膜Ｆ２に進むこと
ができる。
により磁性体膜Ｆ２の磁化方向が変化し、磁性体膜Ｆ
１、Ｆ２の磁化方向ＭＤ１、ＭＤ２が同じ（平行）とな
ったとする。この場合、エネルギーＥＮにおける磁性体
膜Ｆ１、Ｆ２の電子状態密度は共に、ダウンスピン電子
に対して高く、アップスピン電子に対して実質的に零で
ある。このため、非磁性体膜Ｎ２からは、ダウンスピン
電子のみがトンネル障壁ＴＢ及び磁性体膜Ｆ１を通過
し、更に、反射されることなく磁性体膜Ｆ２に進むこと
ができる。
【００２３】非磁性体膜Ｎ２と積層膜ＭＬＦとの間の印
加電圧が、磁性体膜Ｆ２と半導体膜ＳＥＭとの間のショ
ットキー障壁の高さを超えると、磁性体膜Ｆ２に至った
ダウンスピン電子の一部は半導体膜ＳＥＭに流れ込む。
一旦半導体膜ＳＥＭ内に流れ込んだ電子は、接合電場の
ために積層膜ＭＬＦに戻ることはできず、半導体膜ＳＥ
Ｍ内でエネルギーを失い、コレクタ電流となる。
加電圧が、磁性体膜Ｆ２と半導体膜ＳＥＭとの間のショ
ットキー障壁の高さを超えると、磁性体膜Ｆ２に至った
ダウンスピン電子の一部は半導体膜ＳＥＭに流れ込む。
一旦半導体膜ＳＥＭ内に流れ込んだ電子は、接合電場の
ために積層膜ＭＬＦに戻ることはできず、半導体膜ＳＥ
Ｍ内でエネルギーを失い、コレクタ電流となる。
【００２４】電子の注入源となる非磁性体膜Ｎ２と積層
膜ＭＬＦとをトンネル接合を介して接続すると、注入電
子（ホットエレクトロン）のエネルギーを自在に変える
ことができる。例えば、図３及び図４に夫々示すよう
に、代表的な強磁性体であるＦｅやＣｏの電子状態密度
は、フェルミ準位よりぞれぞれ約１．５ｅＶ及び約１．
２ｅＶ上に鋭い極大を持っている。従って、トンネル接
合を使用することにより、磁性体膜Ｆ１、Ｆ２の電子状
態密度の極大に合うような特定のエネルギーの電子を、
非磁性体膜Ｎ２から選択的に注入することができる。こ
れにより、例えば、ショットキー接合を介して電子を注
入する場合に比べて高い感度が得られるようになる。
膜ＭＬＦとをトンネル接合を介して接続すると、注入電
子（ホットエレクトロン）のエネルギーを自在に変える
ことができる。例えば、図３及び図４に夫々示すよう
に、代表的な強磁性体であるＦｅやＣｏの電子状態密度
は、フェルミ準位よりぞれぞれ約１．５ｅＶ及び約１．
２ｅＶ上に鋭い極大を持っている。従って、トンネル接
合を使用することにより、磁性体膜Ｆ１、Ｆ２の電子状
態密度の極大に合うような特定のエネルギーの電子を、
非磁性体膜Ｎ２から選択的に注入することができる。こ
れにより、例えば、ショットキー接合を介して電子を注
入する場合に比べて高い感度が得られるようになる。
【００２５】図５は、本発明の一実施形態に係る磁性体
デバイスを概念的に示す図である。図５に示す磁性体デ
バイスは、磁気抵抗効果を利用した通常の２端子デバイ
スとは異なり、３端子構造のデバイスであり、エミッタ
部（電子注入部）１０、ベース部２０及びコレクタ部
（電子収集部）３０を有する。ベース部２０は磁性体膜
２１ａ／非磁性体膜２２／磁性体膜２１ｂ構造の積層膜
（以下、磁性積層膜と記す）２３からなる。エミッタ部
１０は、トンネル接合部４０を介してベース部２０の磁
性積層膜２３に接続された非磁性金属膜１２からなり、
トンネル接合を介してベース部２０に電子を注入する。
トンネル接合部４０はトンネル絶縁膜１１からなる。コ
レクタ部３０は、ベース部２０の磁性積層膜２３とショ
ットキー接合を形成する半導体層３１からなる。即ち、
コレクタ部３０となる半導体層３１上には、半導体層３
１とショットキー接合を形成する磁性積層膜２３が形成
されており、磁性積層膜２３がベース部２０を構成して
いる。
デバイスを概念的に示す図である。図５に示す磁性体デ
バイスは、磁気抵抗効果を利用した通常の２端子デバイ
スとは異なり、３端子構造のデバイスであり、エミッタ
部（電子注入部）１０、ベース部２０及びコレクタ部
（電子収集部）３０を有する。ベース部２０は磁性体膜
２１ａ／非磁性体膜２２／磁性体膜２１ｂ構造の積層膜
（以下、磁性積層膜と記す）２３からなる。エミッタ部
１０は、トンネル接合部４０を介してベース部２０の磁
性積層膜２３に接続された非磁性金属膜１２からなり、
トンネル接合を介してベース部２０に電子を注入する。
トンネル接合部４０はトンネル絶縁膜１１からなる。コ
レクタ部３０は、ベース部２０の磁性積層膜２３とショ
ットキー接合を形成する半導体層３１からなる。即ち、
コレクタ部３０となる半導体層３１上には、半導体層３
１とショットキー接合を形成する磁性積層膜２３が形成
されており、磁性積層膜２３がベース部２０を構成して
いる。
【００２６】ベース部２０となる磁性積層膜２３のう
ち、磁性体膜２１ａ、２１ｂとしては例えばＣｏ膜、Ｃ
ｏＦｅ膜、ＮｉＦｅ膜等の強磁性体膜が用いられる。ま
た非磁性体膜２２としては例えばＣｕ膜、Ａｇ膜等の非
磁性金属膜が用いられる。即ち、磁性積層膜２３にはス
ピンバルブ膜として知られている、Ｃｏ／Ｃｕ（Ａｇ）
／ＣｏやＣｏＦｅ／Ｃｕ（Ａｇ）／ＣｏＦｅ等の３層構
造膜等が用いられる。
ち、磁性体膜２１ａ、２１ｂとしては例えばＣｏ膜、Ｃ
ｏＦｅ膜、ＮｉＦｅ膜等の強磁性体膜が用いられる。ま
た非磁性体膜２２としては例えばＣｕ膜、Ａｇ膜等の非
磁性金属膜が用いられる。即ち、磁性積層膜２３にはス
ピンバルブ膜として知られている、Ｃｏ／Ｃｕ（Ａｇ）
／ＣｏやＣｏＦｅ／Ｃｕ（Ａｇ）／ＣｏＦｅ等の３層構
造膜等が用いられる。
【００２７】なお、磁性積層膜２３は上記した３層構造
膜に限られるものではなく、例えば磁性体膜２１ａ、２
１ｂと非磁性体膜２２とを交互に多数積層した積層膜を
用いて、磁気散乱効果により強くするような構成として
もよい。また、例えばショットキー特性やトンネル特性
を改善するために、磁性積層膜２３の片側または両側に
他の金属膜を加えることも可能である。また磁性体膜２
１ａ、２１ｂ間に半導体膜やトンネル絶縁膜を含むよう
にすることもできる。
膜に限られるものではなく、例えば磁性体膜２１ａ、２
１ｂと非磁性体膜２２とを交互に多数積層した積層膜を
用いて、磁気散乱効果により強くするような構成として
もよい。また、例えばショットキー特性やトンネル特性
を改善するために、磁性積層膜２３の片側または両側に
他の金属膜を加えることも可能である。また磁性体膜２
１ａ、２１ｂ間に半導体膜やトンネル絶縁膜を含むよう
にすることもできる。
【００２８】更に、磁性体膜２１ａ、２１ｂの一方の膜
の磁化方向が固定され、他方の膜の磁化方向のみが外部
磁場により変化するように、磁性体膜２１ａ、２１ｂの
保持力を互いに異なるように設定することができる。こ
の場合、後述するように、磁性体膜２１ａ、２１ｂの一
方に隣接して反強磁性体膜を設けて同膜の磁化方向を固
定することにより、磁性体膜２１ａ、２１ｂの保磁力を
互いに異ならせることができる。このように、磁性体膜
の保磁力を設定するとは、反強磁性体膜等の隣接膜との
交換相互作用により設定する場合も含まれる。
の磁化方向が固定され、他方の膜の磁化方向のみが外部
磁場により変化するように、磁性体膜２１ａ、２１ｂの
保持力を互いに異なるように設定することができる。こ
の場合、後述するように、磁性体膜２１ａ、２１ｂの一
方に隣接して反強磁性体膜を設けて同膜の磁化方向を固
定することにより、磁性体膜２１ａ、２１ｂの保磁力を
互いに異ならせることができる。このように、磁性体膜
の保磁力を設定するとは、反強磁性体膜等の隣接膜との
交換相互作用により設定する場合も含まれる。
【００２９】磁性積層膜２３からなるベース部２０上に
は、トンネル接合部４０を構成するトンネル絶縁膜１１
が設けられており、このトンネル絶縁膜１１を介してエ
ミッタ部１０となる非磁性金属膜１２が設けられてい
る。そして、磁性積層膜２３からなるベース部２０と非
磁性金属膜１２からなるエミッタ部１０とは、トンネル
絶縁膜１１を介してトンネル接合されており、このトン
ネル接合を介してホットエレクトロンがエミッタ部１０
からベース部２０に注入される。
は、トンネル接合部４０を構成するトンネル絶縁膜１１
が設けられており、このトンネル絶縁膜１１を介してエ
ミッタ部１０となる非磁性金属膜１２が設けられてい
る。そして、磁性積層膜２３からなるベース部２０と非
磁性金属膜１２からなるエミッタ部１０とは、トンネル
絶縁膜１１を介してトンネル接合されており、このトン
ネル接合を介してホットエレクトロンがエミッタ部１０
からベース部２０に注入される。
【００３０】上述の磁性体デバイスは、例えば図６に示
すような具体的なデバイス構造を有するものである。即
ち、コレクタ部となる半導体層３１上には、上述のよう
な磁性体膜／非磁性体膜／磁性体膜構造を有する磁性積
層膜２３がベース部として形成されている。コレクタ部
となる半導体層３１とベース部となる磁性積層膜２３と
の間はデバイス領域を除いて、層間絶縁膜４１で絶縁さ
れている。また、半導体層３１と磁性積層膜２３とは、
例えば図示を省略した金層を介在させることで、安定に
ショットキー接合させることができる。また、金層に換
えて、ＮｉＳｉ2 やＣｏＳｉ2 等の金属シリサイド層を
介在させることによって、更に安定したショットキー特
性を期待することができる。
すような具体的なデバイス構造を有するものである。即
ち、コレクタ部となる半導体層３１上には、上述のよう
な磁性体膜／非磁性体膜／磁性体膜構造を有する磁性積
層膜２３がベース部として形成されている。コレクタ部
となる半導体層３１とベース部となる磁性積層膜２３と
の間はデバイス領域を除いて、層間絶縁膜４１で絶縁さ
れている。また、半導体層３１と磁性積層膜２３とは、
例えば図示を省略した金層を介在させることで、安定に
ショットキー接合させることができる。また、金層に換
えて、ＮｉＳｉ2 やＣｏＳｉ2 等の金属シリサイド層を
介在させることによって、更に安定したショットキー特
性を期待することができる。
【００３１】ベース部となる磁性積層膜２３上には、ア
ルミニウム酸化膜等からなるトンネル絶縁膜１１が形成
されており、このトンネル絶縁膜１１を介してエミッタ
部となるアルミニウム膜等の非磁性金属膜１２が設けら
れている。また、エミッタ／ベース間のトンネル特性を
改善するために、例えばベース部となる磁性積層膜２３
上に予めアルミニウム膜を形成しておき、Ａｌ／ＡｌＯ
x ／Ａｌというような積層構造とすることが好ましい。
ベース部となる磁性積層膜２３とエミッタ部となる非磁
性金属膜１２との間はデバイス領域を除いて、層間絶縁
膜４２で絶縁されている。
ルミニウム酸化膜等からなるトンネル絶縁膜１１が形成
されており、このトンネル絶縁膜１１を介してエミッタ
部となるアルミニウム膜等の非磁性金属膜１２が設けら
れている。また、エミッタ／ベース間のトンネル特性を
改善するために、例えばベース部となる磁性積層膜２３
上に予めアルミニウム膜を形成しておき、Ａｌ／ＡｌＯ
x ／Ａｌというような積層構造とすることが好ましい。
ベース部となる磁性積層膜２３とエミッタ部となる非磁
性金属膜１２との間はデバイス領域を除いて、層間絶縁
膜４２で絶縁されている。
【００３２】この実施形態の磁性体デバイスは、図５に
示したようにエミッタ部１０に直流電源Ｅを接続すると
共に、ベース部２０に第１の電流計Ａ1 、コレクタ部３
０に第２の電流計Ａ2 を接続することによって、例えば
磁気センサとして用いられる。なお、第１の電流計Ａ1
はベース部となる磁性積層膜２３の磁性体膜、非磁性体
膜のいずれに接続されても構わない。
示したようにエミッタ部１０に直流電源Ｅを接続すると
共に、ベース部２０に第１の電流計Ａ1 、コレクタ部３
０に第２の電流計Ａ2 を接続することによって、例えば
磁気センサとして用いられる。なお、第１の電流計Ａ1
はベース部となる磁性積層膜２３の磁性体膜、非磁性体
膜のいずれに接続されても構わない。
【００３３】上述の磁性体デバイスにおいて、ベース／
エミッタ間に直流電源Ｅから電圧Ｖを印加すると、エミ
ッタ部１０からベース部２０にホットエレクトロンが注
入される。ベース部２０が電子の非弾性散乱長に比べて
十分に薄ければ、ホットエレクトロンはエネルギーを失
わずにベース／コレクタ界面に到達する。注入電圧がベ
ース／コレクタ間のショットキー障壁の高さより低い場
合には、ホットエレクトロンはコレクタ部３０内に入る
ことはできず、ベース部２０から流れ出して、その電流
値は第１の電流計Ａ1 によって読み取られる。
エミッタ間に直流電源Ｅから電圧Ｖを印加すると、エミ
ッタ部１０からベース部２０にホットエレクトロンが注
入される。ベース部２０が電子の非弾性散乱長に比べて
十分に薄ければ、ホットエレクトロンはエネルギーを失
わずにベース／コレクタ界面に到達する。注入電圧がベ
ース／コレクタ間のショットキー障壁の高さより低い場
合には、ホットエレクトロンはコレクタ部３０内に入る
ことはできず、ベース部２０から流れ出して、その電流
値は第１の電流計Ａ1 によって読み取られる。
【００３４】注入電圧がショットキー障壁の高さを超え
ると、ホットエレクトロンの一部はコレクタ部３０内に
流れ込むが、一度コレクタ部３０内に流れ込んだホット
エレクトロンは、接合電場のためにベース部２０に戻る
ことはできず、コレクタ部３０内でエネルギーを失い、
コレクタ部３０から第２の電流計Ａ2 を通って流れ出
す。
ると、ホットエレクトロンの一部はコレクタ部３０内に
流れ込むが、一度コレクタ部３０内に流れ込んだホット
エレクトロンは、接合電場のためにベース部２０に戻る
ことはできず、コレクタ部３０内でエネルギーを失い、
コレクタ部３０から第２の電流計Ａ2 を通って流れ出
す。
【００３５】ここで、ベース部２０が上述のような磁性
積層膜２３で形成されている場合、ベース部２０内に注
入されたホットエレクトロンがベース／コレクタ界面に
到達する率は、磁性積層膜２３を構成する２つの磁性体
膜２１ａ、２１ｂの磁化の向きに強く依存する。即ち、
２つの磁性体膜２１ａ、２１ｂの磁化の向きが同じ場合
には、ホットエレクトロンはスピン散乱を受けずにコレ
クタ部３０に到達できるが、２つの磁性体膜２１ａ、２
１ｂの磁化の向きが逆向きの場合には、強いスピン散乱
を受けるため、ほとんどがコレクタ部３０に到達でき
ず、ベース部２０から第１の電流計Ａ1 を通って流れ出
てしまう。この現象は、図１及び図２を参照して説明し
たように、伝導電子に関する通常の巨大磁気抵抗効果と
同様な理論を用いて説明することができる。
積層膜２３で形成されている場合、ベース部２０内に注
入されたホットエレクトロンがベース／コレクタ界面に
到達する率は、磁性積層膜２３を構成する２つの磁性体
膜２１ａ、２１ｂの磁化の向きに強く依存する。即ち、
２つの磁性体膜２１ａ、２１ｂの磁化の向きが同じ場合
には、ホットエレクトロンはスピン散乱を受けずにコレ
クタ部３０に到達できるが、２つの磁性体膜２１ａ、２
１ｂの磁化の向きが逆向きの場合には、強いスピン散乱
を受けるため、ほとんどがコレクタ部３０に到達でき
ず、ベース部２０から第１の電流計Ａ1 を通って流れ出
てしまう。この現象は、図１及び図２を参照して説明し
たように、伝導電子に関する通常の巨大磁気抵抗効果と
同様な理論を用いて説明することができる。
【００３６】磁性積層膜２３中の２つの磁性体膜２１
ａ、２１ｂの磁化の向きは、通常のスピンバルブの場合
と同様に、非磁性体膜２２の厚さを適当に選択すること
によって、外部磁場が零の場合には互いに反平行で、外
部磁場の下では平行となるように制御することができ
る。従って、外部磁場が零の場合には、ベース部２０内
に注入されたホットエレクトロンはほとんどコレクタ部
３０に到達できず、ベース部２０から第１の電流計Ａ1
を通って流れ出てしまう。また、外部磁場が印加された
場合には、ベース部２０内に注入されたホットエレクト
ロンは主にコレクタ部３０から第２の電流計Ａ2 を通っ
て流れ出す。ただし本発明では、上述の反強磁性体膜等
を設けた上で、２つの磁性体膜２１ａ、２１ｂの磁化の
向きが外部磁界零の下では平行または反平行となるよう
に制御を行うことも可能である。
ａ、２１ｂの磁化の向きは、通常のスピンバルブの場合
と同様に、非磁性体膜２２の厚さを適当に選択すること
によって、外部磁場が零の場合には互いに反平行で、外
部磁場の下では平行となるように制御することができ
る。従って、外部磁場が零の場合には、ベース部２０内
に注入されたホットエレクトロンはほとんどコレクタ部
３０に到達できず、ベース部２０から第１の電流計Ａ1
を通って流れ出てしまう。また、外部磁場が印加された
場合には、ベース部２０内に注入されたホットエレクト
ロンは主にコレクタ部３０から第２の電流計Ａ2 を通っ
て流れ出す。ただし本発明では、上述の反強磁性体膜等
を設けた上で、２つの磁性体膜２１ａ、２１ｂの磁化の
向きが外部磁界零の下では平行または反平行となるよう
に制御を行うことも可能である。
【００３７】そして、コレクタ部３０を構成する半導体
層３１として、例えばＮ型のシリコンを用いると、通常
の金属との間に形成されるショットキー障壁の高さは
０．５〜１．０Ｖ程度であるため、ベース／エミッタ間
に１Ｖ以上のバイアス電圧を印加した状態でデバイスを
動作させると、外部磁場によってコレクタ電流が変調さ
れる。即ち、コレクタ電流を第２の電流計Ａ2 で測定す
ることによって、磁気センサとして機能させることがで
きる。この磁気センサは磁気記録装置の読出し用磁気ヘ
ッド等として用いることができる。
層３１として、例えばＮ型のシリコンを用いると、通常
の金属との間に形成されるショットキー障壁の高さは
０．５〜１．０Ｖ程度であるため、ベース／エミッタ間
に１Ｖ以上のバイアス電圧を印加した状態でデバイスを
動作させると、外部磁場によってコレクタ電流が変調さ
れる。即ち、コレクタ電流を第２の電流計Ａ2 で測定す
ることによって、磁気センサとして機能させることがで
きる。この磁気センサは磁気記録装置の読出し用磁気ヘ
ッド等として用いることができる。
【００３８】なおここで、ベース部２０とコレクタ部３
０との間にショットキー障壁に代えて金属膜等とのトン
ネル接合を形成しても、原理的には外部磁場によるコレ
クタ電流の変調が可能である。ただし、トンネル接合を
形成した場合、ベース／コレクタ界面に到達したホット
エレクトロンがコレクタ部３０に流れ込み難く、ベース
部２０から第１の電流計Ａ1 を通って流れ出してしまう
おそれがある。従って、これを回避するためには、非常
に大きなバイアス電圧の印加が必要になってしまう。こ
のため、本発明においてはベース部２０とコレクタ部３
０との間にショットキー障壁を設ける方が有効である。
０との間にショットキー障壁に代えて金属膜等とのトン
ネル接合を形成しても、原理的には外部磁場によるコレ
クタ電流の変調が可能である。ただし、トンネル接合を
形成した場合、ベース／コレクタ界面に到達したホット
エレクトロンがコレクタ部３０に流れ込み難く、ベース
部２０から第１の電流計Ａ1 を通って流れ出してしまう
おそれがある。従って、これを回避するためには、非常
に大きなバイアス電圧の印加が必要になってしまう。こ
のため、本発明においてはベース部２０とコレクタ部３
０との間にショットキー障壁を設ける方が有効である。
【００３９】上述の磁性体デバイスは、通常のスピンバ
ルブ型磁気ヘッドと異なり、磁性積層膜２３に対して垂
直方向に流れる電子のスピン散乱を利用しているため、
原理的により高い感度が得られる。更に、スピンバルブ
型磁気ヘッドでは磁気抵抗効果、即ちフェルミ準位近傍
に存在する伝導電子のスピン散乱を利用するのに対し、
本発明の磁性体デバイスではバイアス電圧とトンネル接
合とによって、そのエネルギーを任意に制御できるホッ
トエレクトロンを用いているため、より大きなスピン散
乱効果を利用することができる。
ルブ型磁気ヘッドと異なり、磁性積層膜２３に対して垂
直方向に流れる電子のスピン散乱を利用しているため、
原理的により高い感度が得られる。更に、スピンバルブ
型磁気ヘッドでは磁気抵抗効果、即ちフェルミ準位近傍
に存在する伝導電子のスピン散乱を利用するのに対し、
本発明の磁性体デバイスではバイアス電圧とトンネル接
合とによって、そのエネルギーを任意に制御できるホッ
トエレクトロンを用いているため、より大きなスピン散
乱効果を利用することができる。
【００４０】例えば、図７に模式的に示した状態密度を
持つ磁性体を用いて、磁性積層膜２３を形成した場合、
フェルミ準位ＥF 近傍のアップスピンの状態密度はダウ
ンスピンの状態密度の高々数倍であるが、図中に示した
フェルミエネルギーより十分高いエネルギーＥ1 を持つ
ホットエレクトロンについては、ダウンスピンの状態密
度がほとんど零なので、極めて強いスピン散乱の効果が
期待される。エネルギーＥ2 を持つホットホールについ
ても同様である。
持つ磁性体を用いて、磁性積層膜２３を形成した場合、
フェルミ準位ＥF 近傍のアップスピンの状態密度はダウ
ンスピンの状態密度の高々数倍であるが、図中に示した
フェルミエネルギーより十分高いエネルギーＥ1 を持つ
ホットエレクトロンについては、ダウンスピンの状態密
度がほとんど零なので、極めて強いスピン散乱の効果が
期待される。エネルギーＥ2 を持つホットホールについ
ても同様である。
【００４１】更に、上述の磁性体デバイスは、ベース／
エミッタ間のトンネル絶縁膜２３で印加電圧をささえる
構造になっているため、トンネル絶縁膜２３の厚さを制
御することによって、所望のバイアス電圧の下で適当な
電流値を得ることは容易である。従って、従来のスピン
バルブ型磁気ヘッドで問題となっていたエレクトロマイ
グレーション、発熱、電流による磁場の発生等を招くこ
とはない。また、コレクタ部３０は、ショットキー障壁
が示す高い接合抵抗によって、理想的定電流源として振
る舞うため、極めて簡便な回路を第２の電流計Ａ2 とし
て用いることができる。即ち、この磁性体デバイスは出
力の取り出しが極めて容易である。
エミッタ間のトンネル絶縁膜２３で印加電圧をささえる
構造になっているため、トンネル絶縁膜２３の厚さを制
御することによって、所望のバイアス電圧の下で適当な
電流値を得ることは容易である。従って、従来のスピン
バルブ型磁気ヘッドで問題となっていたエレクトロマイ
グレーション、発熱、電流による磁場の発生等を招くこ
とはない。また、コレクタ部３０は、ショットキー障壁
が示す高い接合抵抗によって、理想的定電流源として振
る舞うため、極めて簡便な回路を第２の電流計Ａ2 とし
て用いることができる。即ち、この磁性体デバイスは出
力の取り出しが極めて容易である。
【００４２】［実施例１］図５及び図６に示した磁性体
デバイスの具体的な作製例とその特性を示す。具体的な
デバイス構造は図６に示した通りである。
デバイスの具体的な作製例とその特性を示す。具体的な
デバイス構造は図６に示した通りである。
【００４３】まず、コレクタ部３０を形成する半導体層
３１として、硼素を１０16／ｃｍ3ドープしたｎ型シリ
コン層を用い、ベース部２０にはＣｏ／Ａｇ／Ｃｏの磁
性積層膜２３を用いた。この磁性積層膜２３は、Ｃｏ膜
及びＡｇ膜の膜厚を夫々３ｎｍ及び２ｎｍとすることに
よって、２つのＣｏ膜の磁化が外部磁場が零の状態では
反平行で、１００ガウス以上の磁場の下では平行に配向
することを、磁化測定により確認した。
３１として、硼素を１０16／ｃｍ3ドープしたｎ型シリ
コン層を用い、ベース部２０にはＣｏ／Ａｇ／Ｃｏの磁
性積層膜２３を用いた。この磁性積層膜２３は、Ｃｏ膜
及びＡｇ膜の膜厚を夫々３ｎｍ及び２ｎｍとすることに
よって、２つのＣｏ膜の磁化が外部磁場が零の状態では
反平行で、１００ガウス以上の磁場の下では平行に配向
することを、磁化測定により確認した。
【００４４】ベース／コレクタ間のショットキー接合
は、上記ｎ型シリコン層表面の自然酸化膜を弗酸により
除去した後、３ｎｍの厚さのＡｕ膜を介在させることに
よって行った。Ａｕ層を介在させたのはリークの少ない
良好なショットキー接合を形成するためである。コレク
タ端子へのオーミックコンタクトは、ＡｕＳｂ合金を真
空蒸着した後に熱処理することにより行った。
は、上記ｎ型シリコン層表面の自然酸化膜を弗酸により
除去した後、３ｎｍの厚さのＡｕ膜を介在させることに
よって行った。Ａｕ層を介在させたのはリークの少ない
良好なショットキー接合を形成するためである。コレク
タ端子へのオーミックコンタクトは、ＡｕＳｂ合金を真
空蒸着した後に熱処理することにより行った。
【００４５】エミッタ部１０となる非磁性金属膜１２に
は厚さ２０ｎｍのアルミニウム膜を用い、且つトンネル
絶縁膜１１には厚さ１．５ｎｍのアルミニウム酸化膜を
用いた。また、ベース側に厚さ３ｎｍのアルミニウム膜
を介在させることによって、エミッタ／ベース間のトン
ネル接合はＡｌ／ＡｌＯx ／Ａｌの構造とした。コレク
タ／ベース間の層間絶縁膜４１にはシリコン熱酸化膜を
用い、ベース／エミッタ間の層間絶縁膜４２にはＳｉＯ
を用いた。
は厚さ２０ｎｍのアルミニウム膜を用い、且つトンネル
絶縁膜１１には厚さ１．５ｎｍのアルミニウム酸化膜を
用いた。また、ベース側に厚さ３ｎｍのアルミニウム膜
を介在させることによって、エミッタ／ベース間のトン
ネル接合はＡｌ／ＡｌＯx ／Ａｌの構造とした。コレク
タ／ベース間の層間絶縁膜４１にはシリコン熱酸化膜を
用い、ベース／エミッタ間の層間絶縁膜４２にはＳｉＯ
を用いた。
【００４６】上述の磁性体デバイスのエミッタ／ベース
間のトンネル特性を図８に、またベース／コレクタ間の
ショットキー特性を図９に示す。図１０はエミッタ／ベ
ース間の電圧Ｖを増加させながらコレクタ電流Ｉc を測
定した結果であり、線Ｌａは外部磁場零の場合、線Ｌｂ
は積層磁性膜２３に平行に１００ガウスの磁場を印加し
た場合である。
間のトンネル特性を図８に、またベース／コレクタ間の
ショットキー特性を図９に示す。図１０はエミッタ／ベ
ース間の電圧Ｖを増加させながらコレクタ電流Ｉc を測
定した結果であり、線Ｌａは外部磁場零の場合、線Ｌｂ
は積層磁性膜２３に平行に１００ガウスの磁場を印加し
た場合である。
【００４７】図１０の線Ｌａに示すように、外部磁場が
零の場合にはコレクタ電流Ｉc は極めて小さく、エミッ
タ部１０から注入された電子はほとんどコレクタ部３０
に到達せず、ベース部２０から流れ出ていることが分か
る。一方、外部磁場を印加した場合には、線Ｌｂに示す
ように、バイアス電圧がベース部２０とコレクタ部３０
との間のショットキー障壁（〜０．８Ｖ）の電圧を超え
ると、コレクター電流Ｉc が流れ始める。そして、エミ
ッタ／ベース間の電圧を１．５Ｖに固定した状態で、１
００ガウスの磁場を１００Ｈｚでオン・オフしたとこ
ろ、図１１に示すように、コレクタ電流Ｉc の大きな変
調が観測され、この磁性体デバイスが磁気センサとして
機能することを確認した。
零の場合にはコレクタ電流Ｉc は極めて小さく、エミッ
タ部１０から注入された電子はほとんどコレクタ部３０
に到達せず、ベース部２０から流れ出ていることが分か
る。一方、外部磁場を印加した場合には、線Ｌｂに示す
ように、バイアス電圧がベース部２０とコレクタ部３０
との間のショットキー障壁（〜０．８Ｖ）の電圧を超え
ると、コレクター電流Ｉc が流れ始める。そして、エミ
ッタ／ベース間の電圧を１．５Ｖに固定した状態で、１
００ガウスの磁場を１００Ｈｚでオン・オフしたとこ
ろ、図１１に示すように、コレクタ電流Ｉc の大きな変
調が観測され、この磁性体デバイスが磁気センサとして
機能することを確認した。
【００４８】図１２は本発明の別の実施形態に係る磁性
体デバイスの構成を概念的に示す図である。図１２に示
す磁性体デバイスは、エミッタ部１０に強磁性体膜１３
と反強磁性体膜１４との積層膜１５を用いている。この
ような構造の磁性体デバイスにおいては、エミッタ部１
０の強磁性体膜１３の磁化の向きは反強磁性体膜１４と
の交換相互作用により固定されている。従って、エミッ
タ部１０からベース部２０に注入されるホットエレクト
ロンのスピンの向きは一定となるため、エミッタ部１０
からベース部２０へのトンネル電流の大きさも、磁性積
層膜２３中の磁性体膜２１の磁化の向き、即ち外部磁場
により変化する。このような構造とすることによって、
外部磁場の検知特性を向上させることができる。
体デバイスの構成を概念的に示す図である。図１２に示
す磁性体デバイスは、エミッタ部１０に強磁性体膜１３
と反強磁性体膜１４との積層膜１５を用いている。この
ような構造の磁性体デバイスにおいては、エミッタ部１
０の強磁性体膜１３の磁化の向きは反強磁性体膜１４と
の交換相互作用により固定されている。従って、エミッ
タ部１０からベース部２０に注入されるホットエレクト
ロンのスピンの向きは一定となるため、エミッタ部１０
からベース部２０へのトンネル電流の大きさも、磁性積
層膜２３中の磁性体膜２１の磁化の向き、即ち外部磁場
により変化する。このような構造とすることによって、
外部磁場の検知特性を向上させることができる。
【００４９】図１２に示すような構造の磁性体デバイス
は、強磁性体膜１３と反強磁性体膜１４との積層膜１５
に代えて、単層の保磁力の大きい強磁性体膜でエミッタ
部１０を構成することによっても実現可能である。更
に、上述の構造の磁性体デバイスでは、後述するよう
に、ベース部２０を磁性積層膜２３に代えて、単層の磁
性体膜で置き換えることができ、このような構造におい
ても外部磁場の有無を良好に検知することができる。ま
た、こうした構造ではトンネル絶縁膜１１に代えて、半
導体膜でトンネル接合を形成することも可能である。
は、強磁性体膜１３と反強磁性体膜１４との積層膜１５
に代えて、単層の保磁力の大きい強磁性体膜でエミッタ
部１０を構成することによっても実現可能である。更
に、上述の構造の磁性体デバイスでは、後述するよう
に、ベース部２０を磁性積層膜２３に代えて、単層の磁
性体膜で置き換えることができ、このような構造におい
ても外部磁場の有無を良好に検知することができる。ま
た、こうした構造ではトンネル絶縁膜１１に代えて、半
導体膜でトンネル接合を形成することも可能である。
【００５０】なお、図１２に示す磁性体デバイスにおい
ても、実施例１と同様な実験により、磁気センサとして
機能することが確認された。図１３は本発明の更に別の
実施形態に係る磁性体デバイスの構成を概念的に示す図
である。
ても、実施例１と同様な実験により、磁気センサとして
機能することが確認された。図１３は本発明の更に別の
実施形態に係る磁性体デバイスの構成を概念的に示す図
である。
【００５１】図１３に示す磁性体デバイスは、図５に示
す磁性体デバイスのエミッタ部１０を構成するトンネル
接合を介した金属膜に代えて、コレクタ部３０と同様な
半導体層１６を用いたものである。即ち、エミッタ部１
０とベース部２０とは第２のショットキー接合を形成し
ている。この磁性体デバイスは、金属をベース部に用い
たバイポーラ型のトランジスタ構造を有するものであ
る。
す磁性体デバイスのエミッタ部１０を構成するトンネル
接合を介した金属膜に代えて、コレクタ部３０と同様な
半導体層１６を用いたものである。即ち、エミッタ部１
０とベース部２０とは第２のショットキー接合を形成し
ている。この磁性体デバイスは、金属をベース部に用い
たバイポーラ型のトランジスタ構造を有するものであ
る。
【００５２】図１３に示す磁性体デバイスでは、エミッ
タ部１０からベース部２０への電子の注入がトンネル過
程ではなく、ショットキー接合を介して熱的過程によっ
て行われる。それ以外の原理については図５に示す磁性
体デバイスと同様である。このような構成の磁性体デバ
イスにおいても、図５に示す磁性体デバイスと同様に、
より高い感度が得られると共に、所望のバイアス電圧の
下で適当な電流値を容易に得ることができる。従って、
従来のスピンバルブ型磁気ヘッドで問題となっていたエ
レクトロマイグレーション、発熱、電流による磁場の発
生等を招くことはない。
タ部１０からベース部２０への電子の注入がトンネル過
程ではなく、ショットキー接合を介して熱的過程によっ
て行われる。それ以外の原理については図５に示す磁性
体デバイスと同様である。このような構成の磁性体デバ
イスにおいても、図５に示す磁性体デバイスと同様に、
より高い感度が得られると共に、所望のバイアス電圧の
下で適当な電流値を容易に得ることができる。従って、
従来のスピンバルブ型磁気ヘッドで問題となっていたエ
レクトロマイグレーション、発熱、電流による磁場の発
生等を招くことはない。
【００５３】ただし、このエミッタ部１０をショットキ
ー接合で構成したデバイスは、図５に示す磁性体デバイ
スと比べると注入電圧を十分に高くすることはできない
ため、注入電流に比較してコレクタ電流が小さくなりや
すい。その理由は、ベース／コレクタ界面のホットエレ
クトロンの透過率がそのエネルギーに大きく依存するた
めである。また、２つのショットキー接合を良好に形成
する上で、成膜条件や膜構造等を良好に制御する必要が
ある。従って、これらの観点からは、本発明におけるよ
り好ましい態様は前述のようにトンネル接合を介して電
子を注入するタイプの磁性体デバイスである。
ー接合で構成したデバイスは、図５に示す磁性体デバイ
スと比べると注入電圧を十分に高くすることはできない
ため、注入電流に比較してコレクタ電流が小さくなりや
すい。その理由は、ベース／コレクタ界面のホットエレ
クトロンの透過率がそのエネルギーに大きく依存するた
めである。また、２つのショットキー接合を良好に形成
する上で、成膜条件や膜構造等を良好に制御する必要が
ある。従って、これらの観点からは、本発明におけるよ
り好ましい態様は前述のようにトンネル接合を介して電
子を注入するタイプの磁性体デバイスである。
【００５４】更に、図１３に示す磁性体デバイスにおい
ては、エミッタ部１０となる半導体層１６に偏光した光
を照射してスピン偏極電子を励起し、ホットエレクトロ
ンとしてベース部２０に注入してもよい。このような構
成とした場合、半導体層１６にはＧａＡｓ、ＧａＡｌＡ
ｓ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ等の化合物半導体やＣｄＳｉＡ
ｓ2 等のカラコパライト型半導体に代表される直接遷移
型半導体が用いられる。このような直接遷移型半導体に
円偏光を照射すると、円偏光の偏光方向に基く極性を持
つスピン偏極電子が励起される。このようなスピン偏極
電子が励起された半導体は、図１２に示す磁性体デバイ
スにおける強磁性体膜を用いたエミッタ部１０と同様
に、スピン偏極した電子を注入するエミッタ部１０とし
て機能し得る。従って、上述のような構造とすることに
よって、図１２に示す磁性体デバイスと同様に外部磁場
の検知特性を向上させることができるという利点が得ら
れる。またこの場合もやはり、ベース部２０を磁性積層
膜２３に代えて単層の磁性体膜で置き換えることが可能
となる。
ては、エミッタ部１０となる半導体層１６に偏光した光
を照射してスピン偏極電子を励起し、ホットエレクトロ
ンとしてベース部２０に注入してもよい。このような構
成とした場合、半導体層１６にはＧａＡｓ、ＧａＡｌＡ
ｓ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ等の化合物半導体やＣｄＳｉＡ
ｓ2 等のカラコパライト型半導体に代表される直接遷移
型半導体が用いられる。このような直接遷移型半導体に
円偏光を照射すると、円偏光の偏光方向に基く極性を持
つスピン偏極電子が励起される。このようなスピン偏極
電子が励起された半導体は、図１２に示す磁性体デバイ
スにおける強磁性体膜を用いたエミッタ部１０と同様
に、スピン偏極した電子を注入するエミッタ部１０とし
て機能し得る。従って、上述のような構造とすることに
よって、図１２に示す磁性体デバイスと同様に外部磁場
の検知特性を向上させることができるという利点が得ら
れる。またこの場合もやはり、ベース部２０を磁性積層
膜２３に代えて単層の磁性体膜で置き換えることが可能
となる。
【００５５】なお、図１３に示す磁性体デバイスにおい
ても、実施例１と同様な実験により、磁気センサとして
機能することが確認された。図１４は本発明の更に別の
実施形態に係る磁性体デバイスの構成を概念的に示す図
である。
ても、実施例１と同様な実験により、磁気センサとして
機能することが確認された。図１４は本発明の更に別の
実施形態に係る磁性体デバイスの構成を概念的に示す図
である。
【００５６】このデバイスのベース部２０は非磁性体膜
６１／磁性体膜６２構造の積層膜６３からなる。エミッ
タ部１０は、トンネル接合部４０を介してベース部２０
の非磁性体膜６１に接続された磁性体膜５２からなり、
トンネル接合を介してベース部２０にホットエレクトロ
ンを注入する。トンネル接合部４０はトンネル絶縁膜１
１からなる。コレクタ部（電子収集部）３０は、ベース
部２０の磁性体膜６２とショットキー接合を形成する半
導体層３１からなる。
６１／磁性体膜６２構造の積層膜６３からなる。エミッ
タ部１０は、トンネル接合部４０を介してベース部２０
の非磁性体膜６１に接続された磁性体膜５２からなり、
トンネル接合を介してベース部２０にホットエレクトロ
ンを注入する。トンネル接合部４０はトンネル絶縁膜１
１からなる。コレクタ部（電子収集部）３０は、ベース
部２０の磁性体膜６２とショットキー接合を形成する半
導体層３１からなる。
【００５７】磁性体膜５２の材料として非常に強い即ち
保磁力の高い磁性体が使用され、磁化方向が固定される
一方、磁性体膜６２は保磁力が低く外部磁場により磁化
方向が逆転できるように設定される。これにより、図５
に示すデバイスと同様、電子の通過状態を制御すること
ができる。なお、磁性体膜５２の保磁力を低くし、磁性
体膜６２の保磁力を高くし、磁性体膜５２の磁化方向の
みが逆転できるようにしても同様な効果が得られる。
保磁力の高い磁性体が使用され、磁化方向が固定される
一方、磁性体膜６２は保磁力が低く外部磁場により磁化
方向が逆転できるように設定される。これにより、図５
に示すデバイスと同様、電子の通過状態を制御すること
ができる。なお、磁性体膜５２の保磁力を低くし、磁性
体膜６２の保磁力を高くし、磁性体膜５２の磁化方向の
みが逆転できるようにしても同様な効果が得られる。
【００５８】図１４に示す磁性体デバイスは、例えば図
１８に示すような具体的なデバイス構造を有するもので
ある。即ち、コレクタ部となる半導体層３１上には、上
述したような非磁性体膜６１／磁性体膜６２を有する積
層膜６３がベース部として形成されている。コレクタ部
となる半導体層３１とベース部となる積層膜６３との間
はデバイス部領域を除いて、層間絶縁膜４１で絶縁され
ている。ベース部となる積層膜６３上には、トンネル接
合部４０を構成するトンネル絶縁膜１１が形成されてお
り、このトンネル絶縁膜１１を介してエミッタ部（電子
注入部）となる磁性体膜５２が設けられている。
１８に示すような具体的なデバイス構造を有するもので
ある。即ち、コレクタ部となる半導体層３１上には、上
述したような非磁性体膜６１／磁性体膜６２を有する積
層膜６３がベース部として形成されている。コレクタ部
となる半導体層３１とベース部となる積層膜６３との間
はデバイス部領域を除いて、層間絶縁膜４１で絶縁され
ている。ベース部となる積層膜６３上には、トンネル接
合部４０を構成するトンネル絶縁膜１１が形成されてお
り、このトンネル絶縁膜１１を介してエミッタ部（電子
注入部）となる磁性体膜５２が設けられている。
【００５９】半導体層３１と積層膜６３とは、例えば図
示を省略した金層を介在させることで、安定にショット
キー接合させることができる。また、金層に換えて、Ｎ
ｉＳｉ2 やＣｏＳｉ2 等の金属シリサイド層を介在させ
ることによって、更に安定したショットキー特性を期待
することができる。
示を省略した金層を介在させることで、安定にショット
キー接合させることができる。また、金層に換えて、Ｎ
ｉＳｉ2 やＣｏＳｉ2 等の金属シリサイド層を介在させ
ることによって、更に安定したショットキー特性を期待
することができる。
【００６０】図１４に示す磁性体デバイスは、エミッタ
部１０に直流電源Ｅを接続すると共に、ベース部２０に
第１の電流計Ａ1 、コレクタ部３０に第２の電流計Ａ2
を接続することによって、例えば磁気センサとして用い
ることができる。なお、第１の電流計Ａ1 はベース部と
なる磁性積層膜６３の磁性体膜、非磁性体膜のいずれに
接続されても構わない。ベース／エミッタ間にショット
キー障壁以上のバイアス電圧を印加した状態で、外部磁
場により、磁性体膜６２の磁化方向が変化すると、コレ
クタ電流が変調される。即ち、コレクタ電流を第２の電
流計Ａ2 で測定することによって、磁気センサとして機
能させることができる。この磁気センサは磁気記録装置
の読出し用磁気ヘッド等として用いることができる。
部１０に直流電源Ｅを接続すると共に、ベース部２０に
第１の電流計Ａ1 、コレクタ部３０に第２の電流計Ａ2
を接続することによって、例えば磁気センサとして用い
ることができる。なお、第１の電流計Ａ1 はベース部と
なる磁性積層膜６３の磁性体膜、非磁性体膜のいずれに
接続されても構わない。ベース／エミッタ間にショット
キー障壁以上のバイアス電圧を印加した状態で、外部磁
場により、磁性体膜６２の磁化方向が変化すると、コレ
クタ電流が変調される。即ち、コレクタ電流を第２の電
流計Ａ2 で測定することによって、磁気センサとして機
能させることができる。この磁気センサは磁気記録装置
の読出し用磁気ヘッド等として用いることができる。
【００６１】図１４に示すデバイスは図５に示すデバイ
スに比較してベース部２０内の膜の数が少なくなるた
め、ベース２０部を薄くすることができる。また、ベー
ス部２０内の界面の数が少なくなるため、スピンの向き
に依存しない散乱が減少する。このため、ホットエレク
トロン電流及び従ってコレクタ電流が増加し、デバイス
特性が向上する。このような理由から、図１４に示すデ
バイスでは図５に示すデバイスよりも優れた特性を期待
することができる。
スに比較してベース部２０内の膜の数が少なくなるた
め、ベース２０部を薄くすることができる。また、ベー
ス部２０内の界面の数が少なくなるため、スピンの向き
に依存しない散乱が減少する。このため、ホットエレク
トロン電流及び従ってコレクタ電流が増加し、デバイス
特性が向上する。このような理由から、図１４に示すデ
バイスでは図５に示すデバイスよりも優れた特性を期待
することができる。
【００６２】図１５は本発明の更に別の実施形態に係る
磁性体デバイスの構成を概念的に示す図である。このデ
バイスにおいては、エミッタ部１０に強磁性体膜５３と
反強磁性体膜５４との積層膜５５を用いている。エミッ
タ部１０の強磁性体膜５３の磁化の向きは反強磁性体膜
５４との交換相互作用により固定されている。従って、
エミッタ部１０からベース部２０に注入されるホットエ
レクトロンのスピンの向きは一定となる。このため、エ
ミッタ部１０からベース部２０へのトンネル電流の大き
さは、積層膜６３中の磁性体膜６２の磁化の向き、即ち
外部磁場により変化する。このような構造とすることに
よって、外部磁場の検知特性を向上させることができ
る。
磁性体デバイスの構成を概念的に示す図である。このデ
バイスにおいては、エミッタ部１０に強磁性体膜５３と
反強磁性体膜５４との積層膜５５を用いている。エミッ
タ部１０の強磁性体膜５３の磁化の向きは反強磁性体膜
５４との交換相互作用により固定されている。従って、
エミッタ部１０からベース部２０に注入されるホットエ
レクトロンのスピンの向きは一定となる。このため、エ
ミッタ部１０からベース部２０へのトンネル電流の大き
さは、積層膜６３中の磁性体膜６２の磁化の向き、即ち
外部磁場により変化する。このような構造とすることに
よって、外部磁場の検知特性を向上させることができ
る。
【００６３】図１４及び図１５に示すデバイスでは、図
１６及び図１７に示すように、エミッタ部１０に更に非
磁性体膜５６を積層することができる。図１４乃至図１
７に示す実施形態において、磁性体膜５２、５３、６２
としては例えばＦｅ膜、Ｃｏ膜、ＣｏＦｅ膜、ＮｉＦｅ
膜等の強磁性体膜が用いられる。また非磁性体膜５６、
６１としては例えばＡｌ膜、Ｃｕ膜、Ａｇ等の非磁性金
属膜が用いられる。反強磁性体膜５４としてはＦｅＭｎ
合金が用いられる。トンネル絶縁膜１１としてはＡｌＯ
x 膜等が用いられる。半導体層３１としてはＳｉ基板等
が用いられる。
１６及び図１７に示すように、エミッタ部１０に更に非
磁性体膜５６を積層することができる。図１４乃至図１
７に示す実施形態において、磁性体膜５２、５３、６２
としては例えばＦｅ膜、Ｃｏ膜、ＣｏＦｅ膜、ＮｉＦｅ
膜等の強磁性体膜が用いられる。また非磁性体膜５６、
６１としては例えばＡｌ膜、Ｃｕ膜、Ａｇ等の非磁性金
属膜が用いられる。反強磁性体膜５４としてはＦｅＭｎ
合金が用いられる。トンネル絶縁膜１１としてはＡｌＯ
x 膜等が用いられる。半導体層３１としてはＳｉ基板等
が用いられる。
【００６４】［実施例２］図１４及び図１８に示した磁
性体デバイスの具体的な作製例とその特性を示す。具体
的なデバイス構造は図１８に示した通りである。
性体デバイスの具体的な作製例とその特性を示す。具体
的なデバイス構造は図１８に示した通りである。
【００６５】まず、実施例１と同様、コレクタ部３０を
形成する半導体層３１として、硼素を１０16／ｃｍ3 ド
ープしたｎ型シリコン層を用い、ベース部２０にはＡｌ
非磁性体膜６１／Ｆｅ磁性体膜６２の積層膜６３を用い
た。Ｆｅ磁性体膜６２の膜厚を２ｎｍ、Ａｌ非磁性体膜
６１の膜厚を５ｎｍとした。コレクタ／ベース間の層間
絶縁膜４１にはシリコン熱酸化膜を用いた。ベース／コ
レクタ間には３ｎｍの厚さのＡｕ膜を介在させ、ショッ
トキー接合特性を改善した。
形成する半導体層３１として、硼素を１０16／ｃｍ3 ド
ープしたｎ型シリコン層を用い、ベース部２０にはＡｌ
非磁性体膜６１／Ｆｅ磁性体膜６２の積層膜６３を用い
た。Ｆｅ磁性体膜６２の膜厚を２ｎｍ、Ａｌ非磁性体膜
６１の膜厚を５ｎｍとした。コレクタ／ベース間の層間
絶縁膜４１にはシリコン熱酸化膜を用いた。ベース／コ
レクタ間には３ｎｍの厚さのＡｕ膜を介在させ、ショッ
トキー接合特性を改善した。
【００６６】積層膜６３のＡｌ膜６１上にＡｌＯx トン
ネル絶縁膜１１を介して、エミッタ部１０となるＣｏＦ
ｅ合金からなる磁性体膜５２を積層した。ＡｌＯx トン
ネル絶縁膜１１はＡｌ膜６１の表面を酸素気流中で酸化
することにより形成した。ＣｏＦｅ磁性体膜５２は１テ
スラの磁場中でスパッタすることにより形成し、磁化方
向を固定した。
ネル絶縁膜１１を介して、エミッタ部１０となるＣｏＦ
ｅ合金からなる磁性体膜５２を積層した。ＡｌＯx トン
ネル絶縁膜１１はＡｌ膜６１の表面を酸素気流中で酸化
することにより形成した。ＣｏＦｅ磁性体膜５２は１テ
スラの磁場中でスパッタすることにより形成し、磁化方
向を固定した。
【００６７】このように形成したデバイスにおいて、、
エミッタ／ベース間の電圧を１．５Ｖに固定した状態
で、１００ガウスの磁場を１００Ｈｚでオン・オフした
ところ、図１９に示すように、コレクタ電流の大きな変
調が観測された。変調幅は実施例１のデバイスよりも大
きく、より優れたデバイス特性が得られた。
エミッタ／ベース間の電圧を１．５Ｖに固定した状態
で、１００ガウスの磁場を１００Ｈｚでオン・オフした
ところ、図１９に示すように、コレクタ電流の大きな変
調が観測された。変調幅は実施例１のデバイスよりも大
きく、より優れたデバイス特性が得られた。
【００６８】なお、図１５乃至図１７に示す各磁性体デ
バイスにおいても、実施例２と同様な実験により、優れ
た磁気センサとして機能することが確認された。次に、
エミッタ部１０とベース部２０との間で電子の注入を制
御するトンネル接合部として共鳴トンネル接合を使用し
た実施形態について述べる。
バイスにおいても、実施例２と同様な実験により、優れ
た磁気センサとして機能することが確認された。次に、
エミッタ部１０とベース部２０との間で電子の注入を制
御するトンネル接合部として共鳴トンネル接合を使用し
た実施形態について述べる。
【００６９】近年、量子効果デバイスが注目される中、
共鳴トンネルデバイスは室温動作がすでに確認されてい
る量子効果デバイスとして知られている（Ｒｉｃｈａｒ
ｄ．Ａ．Ｋｉｅｈｌａｎｄ，Ｔ．Ｃ．Ｌ．Ｇｅｒｈａｒ
ｄ Ｓｏｌｌｎｅｒ，Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｈｅｔｅ
ｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｓｅｍｉｃ
ｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ａｎｄ Ｓｅｍｉｍｅｔａｌｓ
４１）。共鳴トンネルダイオードは、図２０に示されて
いる様な半導体ヘテロ接合を用いたデバイスについては
実験及び理論計算が数多くなされている。特に、図２０
の様な構造を持つ共鳴トンネルダイオードは二重障壁共
鳴トンネルダイオードと呼ばれ、ＡｌＧａＡｓの領域が
障壁部分に相当している。また、障壁の数は幾つあって
も共鳴トンネル現象が起こることは良く知られている。
共鳴トンネルデバイスは室温動作がすでに確認されてい
る量子効果デバイスとして知られている（Ｒｉｃｈａｒ
ｄ．Ａ．Ｋｉｅｈｌａｎｄ，Ｔ．Ｃ．Ｌ．Ｇｅｒｈａｒ
ｄ Ｓｏｌｌｎｅｒ，Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｈｅｔｅ
ｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｓｅｍｉｃ
ｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ａｎｄ Ｓｅｍｉｍｅｔａｌｓ
４１）。共鳴トンネルダイオードは、図２０に示されて
いる様な半導体ヘテロ接合を用いたデバイスについては
実験及び理論計算が数多くなされている。特に、図２０
の様な構造を持つ共鳴トンネルダイオードは二重障壁共
鳴トンネルダイオードと呼ばれ、ＡｌＧａＡｓの領域が
障壁部分に相当している。また、障壁の数は幾つあって
も共鳴トンネル現象が起こることは良く知られている。
【００７０】図２１はカソードの電圧の変化に対するア
ノード電流の変化を示す（Ｈ．Ｏｈｎｉｓｈｉ ａｎｄ
ｅｔ．ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．４９
（１９８６），１２４８）。図２１からもわかるよう
に、特定の電圧において電流電圧特性に鋭いピークが見
られるのがわかる。この現象が共鳴トンネル現象として
知られており、障壁に挟まれた量子井戸と呼ばれる領域
にできる共鳴準位とカソードのフェルミ準位が一致した
時、電子のトンネル確率が１となり、電子のトンネル抵
抗が小さくなる現象として理解される。この様に共鳴ト
ンネルダイオードは、図２１に示すように負微分電流電
圧特性を示し、非常に感度が良い。
ノード電流の変化を示す（Ｈ．Ｏｈｎｉｓｈｉ ａｎｄ
ｅｔ．ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．４９
（１９８６），１２４８）。図２１からもわかるよう
に、特定の電圧において電流電圧特性に鋭いピークが見
られるのがわかる。この現象が共鳴トンネル現象として
知られており、障壁に挟まれた量子井戸と呼ばれる領域
にできる共鳴準位とカソードのフェルミ準位が一致した
時、電子のトンネル確率が１となり、電子のトンネル抵
抗が小さくなる現象として理解される。この様に共鳴ト
ンネルダイオードは、図２１に示すように負微分電流電
圧特性を示し、非常に感度が良い。
【００７１】この半導体ヘテロ接合を用いた二重障壁ト
ンネルダイオードに磁場を印加すると、ゼーマン効果が
おき、量子井戸内の共鳴準位が電子のスピンに応じて、
分裂を起こす。このため、カソード側から注入された電
子のスピンの状態（アップまたはダウン）の違いによ
り、電流電圧特性のピークの位置に相違が現れる。この
現象を用いることにより、カソード側の電子のスピン状
態をアノード電流のピークの位置を測定することによ
り、識別することが可能である。
ンネルダイオードに磁場を印加すると、ゼーマン効果が
おき、量子井戸内の共鳴準位が電子のスピンに応じて、
分裂を起こす。このため、カソード側から注入された電
子のスピンの状態（アップまたはダウン）の違いによ
り、電流電圧特性のピークの位置に相違が現れる。この
現象を用いることにより、カソード側の電子のスピン状
態をアノード電流のピークの位置を測定することによ
り、識別することが可能である。
【００７２】共鳴トンネルデバイスは、半導体ヘテロ接
合を用いたデバイスについて実験が主になされてきた
が、現象そのものは図２０に示す構造を持っていれば材
料に依存しない。しかし、量子井戸におけるフォノン等
の散乱が少なく、電子濃度が希薄な状態の方が共鳴トン
ネル現象が顕著に見えるため、多くの実験が半導体の中
でなされてきた。よって、金属／絶縁体または金属／半
導体のヘテロ接合を用いた共鳴トンネルダイオードにつ
いても共鳴トンネル現象は見え、昨今この様な系を用い
た共鳴トンネルダイオードの実験報告もなされてきてい
る。
合を用いたデバイスについて実験が主になされてきた
が、現象そのものは図２０に示す構造を持っていれば材
料に依存しない。しかし、量子井戸におけるフォノン等
の散乱が少なく、電子濃度が希薄な状態の方が共鳴トン
ネル現象が顕著に見えるため、多くの実験が半導体の中
でなされてきた。よって、金属／絶縁体または金属／半
導体のヘテロ接合を用いた共鳴トンネルダイオードにつ
いても共鳴トンネル現象は見え、昨今この様な系を用い
た共鳴トンネルダイオードの実験報告もなされてきてい
る。
【００７３】金属（ＣｏＳｉ2 ）／絶縁体（ＣａＦ2 ）
ヘテロ接合はバンド不連続が１５ｅＶと大きく、半導体
ヘテロ接合のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓのバンド不連続
０．２５ｅＶに比較して６０倍以上ある。図２０に示す
構造の障壁にＣａＦ2 、量子井戸にＣｏＳｉ2 を用いる
ことにより、二重障壁トンネルダイオードを実現するこ
とができる。バンド不連続が大きいため、カソードから
注入された電子のトンネル確率が低いので、障壁及び量
子井戸層を薄くすることが必要であるが、障壁層を０．
９ｎｍ、量子井戸層を１．９ｎｍでつくることにより共
鳴トンネル現象を期待することができる。
ヘテロ接合はバンド不連続が１５ｅＶと大きく、半導体
ヘテロ接合のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓのバンド不連続
０．２５ｅＶに比較して６０倍以上ある。図２０に示す
構造の障壁にＣａＦ2 、量子井戸にＣｏＳｉ2 を用いる
ことにより、二重障壁トンネルダイオードを実現するこ
とができる。バンド不連続が大きいため、カソードから
注入された電子のトンネル確率が低いので、障壁及び量
子井戸層を薄くすることが必要であるが、障壁層を０．
９ｎｍ、量子井戸層を１．９ｎｍでつくることにより共
鳴トンネル現象を期待することができる。
【００７４】また、金属／絶縁体のヘテロ接合について
は半導体ヘテロ接合と異なり、数分子層を制御する技術
があり、この様な共鳴トンネルダイオードを実現するこ
とができる。実際、このＣａＦ2 ／ＣｏＳｉ2 ヘテロ接
合を用いた３重障壁共鳴トンネルダオードについては室
温により負微分抵抗特性が確認されている（Ｔ．Ｓｕｅ
ｍａｓｕ ａｎｄ ｅｔ．ａｌ．，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
Ｌｅｔｔ．２８，１４３２（１９９２））。また、金属
（ＮｉＡｌ）／半導体（ＡｌＡｓ）ヘテロ接合共鳴トン
ネルダイオードについても負微分抵抗特性が確認されて
いる（Ｎ．Ｔａｂａｔａｂａｉｅ ａｎｄ ｅｔ．ａ
ｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５３，２５２
８（１９８８））。
は半導体ヘテロ接合と異なり、数分子層を制御する技術
があり、この様な共鳴トンネルダイオードを実現するこ
とができる。実際、このＣａＦ2 ／ＣｏＳｉ2 ヘテロ接
合を用いた３重障壁共鳴トンネルダオードについては室
温により負微分抵抗特性が確認されている（Ｔ．Ｓｕｅ
ｍａｓｕ ａｎｄ ｅｔ．ａｌ．，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
Ｌｅｔｔ．２８，１４３２（１９９２））。また、金属
（ＮｉＡｌ）／半導体（ＡｌＡｓ）ヘテロ接合共鳴トン
ネルダイオードについても負微分抵抗特性が確認されて
いる（Ｎ．Ｔａｂａｔａｂａｉｅ ａｎｄ ｅｔ．ａ
ｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５３，２５２
８（１９８８））。
【００７５】前記理由により、他の金属／絶縁体ヘテロ
接合についても実現可能である。たとえば、金属にＦｅ
を用いて、この上にＡｌを成長させて、このＡｌを酸化
させることにより、金属（Ｆｅ）／絶縁体（Ａｌ2 Ｏ
3 ）ヘテロ接合をつくることができる。このヘテロ接合
のバンド不連続も１５ｅＶ程度の大きさを持ち、膜厚を
ＣａＦ2 ／ＣｏＳｉ2 ヘテロ接合と同程度の大きさにす
ることにより、共鳴トンネルダイオードを実現すること
ができる。
接合についても実現可能である。たとえば、金属にＦｅ
を用いて、この上にＡｌを成長させて、このＡｌを酸化
させることにより、金属（Ｆｅ）／絶縁体（Ａｌ2 Ｏ
3 ）ヘテロ接合をつくることができる。このヘテロ接合
のバンド不連続も１５ｅＶ程度の大きさを持ち、膜厚を
ＣａＦ2 ／ＣｏＳｉ2 ヘテロ接合と同程度の大きさにす
ることにより、共鳴トンネルダイオードを実現すること
ができる。
【００７６】更に、この様に、量子井戸にＦｅの様な強
磁性体を用いれば、分子場によりアップスピン電子とダ
ウンスピン電子との間に１ｅＶ程度のエネルギー準位の
差が生じている。このため、量子井戸の共鳴準位もアッ
プスピン電子とダウンスピン電子とで分裂を起こしてい
ることになる。よって、カソード側から入ってくる電子
のスピン状態によって電流電圧特性のピークの位置に相
違が生じることになり、カソード側の電子のスピン状態
を識別することが可能になる。
磁性体を用いれば、分子場によりアップスピン電子とダ
ウンスピン電子との間に１ｅＶ程度のエネルギー準位の
差が生じている。このため、量子井戸の共鳴準位もアッ
プスピン電子とダウンスピン電子とで分裂を起こしてい
ることになる。よって、カソード側から入ってくる電子
のスピン状態によって電流電圧特性のピークの位置に相
違が生じることになり、カソード側の電子のスピン状態
を識別することが可能になる。
【００７７】また、この様な強磁性体を用いた共鳴トン
ネルダイオードは、半導体ヘテロ接合共鳴トンネルダイ
オードと異なり、強磁場を外部から印加することなく、
カソードの電子のスピン状態を識別することが可能にな
る。また、金属／半導体ヘテロ接合として、Ｆｅ／Ｚｎ
Ｓｅヘテロ接合を用いることも可能である。更に、グラ
ファイトの様な半金属を障壁部分に用いることも可能で
ある。特に、グラファイトは面に垂直方向に状態がない
ため、絶縁体的な振る舞いとすると同時に、分子層ごと
の制御がしやすいので障壁部分を作成しやすい特徴をも
つ。
ネルダイオードは、半導体ヘテロ接合共鳴トンネルダイ
オードと異なり、強磁場を外部から印加することなく、
カソードの電子のスピン状態を識別することが可能にな
る。また、金属／半導体ヘテロ接合として、Ｆｅ／Ｚｎ
Ｓｅヘテロ接合を用いることも可能である。更に、グラ
ファイトの様な半金属を障壁部分に用いることも可能で
ある。特に、グラファイトは面に垂直方向に状態がない
ため、絶縁体的な振る舞いとすると同時に、分子層ごと
の制御がしやすいので障壁部分を作成しやすい特徴をも
つ。
【００７８】共鳴トンネル接合部は、図１乃至図１９を
参照して述べた実施形態のいずれのトンネル接合部とし
ても使用することができる。図２２は、その一例とし
て、図５に示す磁性体デバイスに共鳴トンネル接合部を
用いた構造を概念的に示す。図２２中、図５と共通する
部分には同一符号を付してあり、それらの詳細な説明は
必要に応じてのみ行う。
参照して述べた実施形態のいずれのトンネル接合部とし
ても使用することができる。図２２は、その一例とし
て、図５に示す磁性体デバイスに共鳴トンネル接合部を
用いた構造を概念的に示す。図２２中、図５と共通する
部分には同一符号を付してあり、それらの詳細な説明は
必要に応じてのみ行う。
【００７９】即ち、この磁性体デバイスは、エミッタ部
（電子注入部）１０、ベース部２０及びコレクタ部（電
子収集部）３０を有し、エミッタ／ベース間のトンネル
接合部７０として二重障壁共鳴トンネルダイオードが使
用される。トンネル接合部７０は、エミッタ部１０側に
位置する一方の障壁である半導体からなる障壁層７１、
量子井戸に相当する半導体からなる量子井戸層７２、ベ
ース部２０側に位置する他方の障壁である半導体からな
る障壁層７３を有する。なお、トンネル接合部７０に用
いる共鳴トンネルダイオードには、半導体ヘテロ接合共
鳴トンネルダイオード以外にも、前述の金属／絶縁体ヘ
テロ接合もしくは金属／半導体共鳴トンネルダイオード
を用いることもできる。また、二重障壁共鳴トンネルダ
イオードに代え、三重障壁共鳴トンルダイオードもしく
はそれ以上の障壁を持つ共鳴トンネルダイオードを用い
ることも可能である。
（電子注入部）１０、ベース部２０及びコレクタ部（電
子収集部）３０を有し、エミッタ／ベース間のトンネル
接合部７０として二重障壁共鳴トンネルダイオードが使
用される。トンネル接合部７０は、エミッタ部１０側に
位置する一方の障壁である半導体からなる障壁層７１、
量子井戸に相当する半導体からなる量子井戸層７２、ベ
ース部２０側に位置する他方の障壁である半導体からな
る障壁層７３を有する。なお、トンネル接合部７０に用
いる共鳴トンネルダイオードには、半導体ヘテロ接合共
鳴トンネルダイオード以外にも、前述の金属／絶縁体ヘ
テロ接合もしくは金属／半導体共鳴トンネルダイオード
を用いることもできる。また、二重障壁共鳴トンネルダ
イオードに代え、三重障壁共鳴トンルダイオードもしく
はそれ以上の障壁を持つ共鳴トンネルダイオードを用い
ることも可能である。
【００８０】トンネル接合部７０は、共鳴トンネルダイ
オードの共鳴準位が、ベース／コレクタ間のショットキ
ー障壁の高さを越えるものでなくてはならない。この共
鳴準位は、共鳴トンネルダイオードの材料及び量子井戸
の厚さを適当に選ぶことにより適宜設定可能である。ま
た、共鳴トンネルデバイスの注入電圧に対するコレクタ
電流の感度を良くするため、ベース／コレクタ間電圧を
逆電圧にすることにより、ベース／コレクタ間障壁の高
さを調整することも可能である。
オードの共鳴準位が、ベース／コレクタ間のショットキ
ー障壁の高さを越えるものでなくてはならない。この共
鳴準位は、共鳴トンネルダイオードの材料及び量子井戸
の厚さを適当に選ぶことにより適宜設定可能である。ま
た、共鳴トンネルデバイスの注入電圧に対するコレクタ
電流の感度を良くするため、ベース／コレクタ間電圧を
逆電圧にすることにより、ベース／コレクタ間障壁の高
さを調整することも可能である。
【００８１】図２２に示す磁性体デバイスにおいては、
トンネル接合部７０に共鳴トンネルデバイスを用いてお
り、エミッタ部１０の金属膜１２とベース部２０の磁性
積層膜２３とを絶縁すると共に、ピーク電圧に匹敵する
エミッタ電圧に対しては、トンネル確率１で磁性積層膜
２３にホットエレクトロンを注入することが可能にな
る。即ち、エミッタ部から注入するホットエレクトロン
のエネルギーがトンネル確率により選択され、エネルギ
ー幅の狭い電子を注入することが可能になる。よって、
これにより、注入される電子のエネルギーが選択される
ので、図７に示すような状態密度をもつ磁性体を考慮す
ると、注入される電子のエネルギー幅が小さい分より高
い感度が期待される。更に、金属／絶縁体ヘテロ接合共
鳴トンネルダイオードのようにバンド不連続が大きい材
料を用いれば、共鳴準位の線幅が細くなるので、より高
感度の磁気抵抗効果を期待することができる。
トンネル接合部７０に共鳴トンネルデバイスを用いてお
り、エミッタ部１０の金属膜１２とベース部２０の磁性
積層膜２３とを絶縁すると共に、ピーク電圧に匹敵する
エミッタ電圧に対しては、トンネル確率１で磁性積層膜
２３にホットエレクトロンを注入することが可能にな
る。即ち、エミッタ部から注入するホットエレクトロン
のエネルギーがトンネル確率により選択され、エネルギ
ー幅の狭い電子を注入することが可能になる。よって、
これにより、注入される電子のエネルギーが選択される
ので、図７に示すような状態密度をもつ磁性体を考慮す
ると、注入される電子のエネルギー幅が小さい分より高
い感度が期待される。更に、金属／絶縁体ヘテロ接合共
鳴トンネルダイオードのようにバンド不連続が大きい材
料を用いれば、共鳴準位の線幅が細くなるので、より高
感度の磁気抵抗効果を期待することができる。
【００８２】エミッタ部１０の金属膜１２とトンネル接
合部７０との間に、更に薄い絶縁膜をはさみ込み、電流
密度の大きさを調整することにより電流密度の絶対値を
調整することが可能である。また、トンネル接合部７０
の共鳴トンネルダイオードの障壁の厚さを調整すことに
よっても、電流密度の絶対値を調整することが可能であ
る。
合部７０との間に、更に薄い絶縁膜をはさみ込み、電流
密度の大きさを調整することにより電流密度の絶対値を
調整することが可能である。また、トンネル接合部７０
の共鳴トンネルダイオードの障壁の厚さを調整すことに
よっても、電流密度の絶対値を調整することが可能であ
る。
【００８３】［実施例３］図２２に示す構造において、
コレクタ部３０の半導体層３１に１０16ｃｍ-3ドープし
たｎ型シリコンを用いた。ベース部２０の磁性積層膜２
３はＣｏ／Ａｇ／Ｃｏ構造とし、ここでＣｏ層及びＡｇ
層の厚さはそれぞれ３ｎｍ、２０ｎｍとした。更に、エ
ミッタ部１０には厚さ２０ｎｍのＡｌ非磁性金属膜を用
いた。この磁性積層構造はＧＭＲ構造としても知られた
構造である。
コレクタ部３０の半導体層３１に１０16ｃｍ-3ドープし
たｎ型シリコンを用いた。ベース部２０の磁性積層膜２
３はＣｏ／Ａｇ／Ｃｏ構造とし、ここでＣｏ層及びＡｇ
層の厚さはそれぞれ３ｎｍ、２０ｎｍとした。更に、エ
ミッタ部１０には厚さ２０ｎｍのＡｌ非磁性金属膜を用
いた。この磁性積層構造はＧＭＲ構造としても知られた
構造である。
【００８４】コレクタ部３０のｎ型シリコンと磁性積層
膜２３との間のショットキー障壁の高さは０．８ｅＶ程
度であり、エミッタ／ベース間に０．８Ｖ以上の電圧を
かけると、コレクタ電流は急激に立ち上がり始めた。エ
ミッタ／ベース電圧を３Ｖ、エミッタ部からのベースへ
の入力電流をトンネル接合部７０を調整して２ｍＡにし
た時、０磁場においてはスピン散乱によりコレクタ電流
は微少であり（０．２ｍＡ以下）、１００ガウス以上の
磁場を印加することによって積層膜２３の磁性体膜のス
ピンが揃い、１．２ｍＡのコレクタ電流を取り出すこと
ができた。
膜２３との間のショットキー障壁の高さは０．８ｅＶ程
度であり、エミッタ／ベース間に０．８Ｖ以上の電圧を
かけると、コレクタ電流は急激に立ち上がり始めた。エ
ミッタ／ベース電圧を３Ｖ、エミッタ部からのベースへ
の入力電流をトンネル接合部７０を調整して２ｍＡにし
た時、０磁場においてはスピン散乱によりコレクタ電流
は微少であり（０．２ｍＡ以下）、１００ガウス以上の
磁場を印加することによって積層膜２３の磁性体膜のス
ピンが揃い、１．２ｍＡのコレクタ電流を取り出すこと
ができた。
【００８５】トンネル接合部７０として、Ａｌ2 Ｏ3 層
７１／Ｆｅ層７２／Ａｌ2 Ｏ3 層７３ヘテロ接合を有す
る二重障壁共鳴トンネルトランジスタを用いた。障壁で
あるＡｌ2 Ｏ3 層７１、７３の厚さを０．５ｎｍ、量子
井戸であるＦｅ強磁性層７３の厚さを３ｎｍとしたとこ
ろ、室温において、１．７Ｖにおいて１０ｍＡの電流が
得られた。
７１／Ｆｅ層７２／Ａｌ2 Ｏ3 層７３ヘテロ接合を有す
る二重障壁共鳴トンネルトランジスタを用いた。障壁で
あるＡｌ2 Ｏ3 層７１、７３の厚さを０．５ｎｍ、量子
井戸であるＦｅ強磁性層７３の厚さを３ｎｍとしたとこ
ろ、室温において、１．７Ｖにおいて１０ｍＡの電流が
得られた。
【００８６】［実施例４］トンネル接合部７０以外は実
施例３と同じ条件で、図２２に示す構造を形成した。ト
ンネル接合部７０として、ＣａＦ2 層７１／ＣｏＳｉ2
層７２／ＣａＦ2層７３ヘテロ接合を有する二重障壁共
鳴トンネルトランジスタを用いた。障壁であるＣａＦ2
層７１、７３の厚さを０．５ｎｍ、量子井戸であるＣｏ
Ｓｉ2 強磁性層７２の厚さを３ｎｍとしたところ、室温
において、１．７Ｖにおいて１０ｍＡの電流が得られ
た。
施例３と同じ条件で、図２２に示す構造を形成した。ト
ンネル接合部７０として、ＣａＦ2 層７１／ＣｏＳｉ2
層７２／ＣａＦ2層７３ヘテロ接合を有する二重障壁共
鳴トンネルトランジスタを用いた。障壁であるＣａＦ2
層７１、７３の厚さを０．５ｎｍ、量子井戸であるＣｏ
Ｓｉ2 強磁性層７２の厚さを３ｎｍとしたところ、室温
において、１．７Ｖにおいて１０ｍＡの電流が得られ
た。
【００８７】図２３は、共鳴トンネル構造を用いた、本
発明の更に別の実施形態に係る磁性体デバイスを概念的
に示す図である。この実施形態においては、エミッタ部
１０となる金属膜８６とコレクタ部３０となる半導体層
３１との間に、ベース部２０として上述した共鳴トンネ
ル積層膜８０と金属膜８５とが配設される。共鳴トンネ
ル積層膜８０は絶縁膜８１／磁性体膜８２／絶縁膜８３
からなる。
発明の更に別の実施形態に係る磁性体デバイスを概念的
に示す図である。この実施形態においては、エミッタ部
１０となる金属膜８６とコレクタ部３０となる半導体層
３１との間に、ベース部２０として上述した共鳴トンネ
ル積層膜８０と金属膜８５とが配設される。共鳴トンネ
ル積層膜８０は絶縁膜８１／磁性体膜８２／絶縁膜８３
からなる。
【００８８】なお、図２３では、積層膜８０は二重障壁
共鳴トンネルダイオードを構成するが、これは幾層の共
鳴トンネルダイオードであってもよい。また、絶縁膜８
１、８３は半導体膜でもよい。また、積層膜８０と半導
体層３１との間の金属膜８５は、共鳴トンネルデバイス
となる積層膜８０の動作を安定させるための層であり、
この層よりベース電極をとる。金属膜８５とコレクタ部
３０となる半導体３１の間にはショットキー接合が形成
され、このショットキー障壁の高さを越えるホットエレ
クトロンがエミッタ部１０となる金属膜８６から注入さ
れる。
共鳴トンネルダイオードを構成するが、これは幾層の共
鳴トンネルダイオードであってもよい。また、絶縁膜８
１、８３は半導体膜でもよい。また、積層膜８０と半導
体層３１との間の金属膜８５は、共鳴トンネルデバイス
となる積層膜８０の動作を安定させるための層であり、
この層よりベース電極をとる。金属膜８５とコレクタ部
３０となる半導体３１の間にはショットキー接合が形成
され、このショットキー障壁の高さを越えるホットエレ
クトロンがエミッタ部１０となる金属膜８６から注入さ
れる。
【００８９】金属膜８５、８６とを同じ材料から形成す
れば、理想的な二重障壁トンネルトランジスタを構成す
ることが可能である。金属膜８５、８６は軟鉄などのソ
フト磁性体（保磁力の低い磁性体）８９から形成し、弱
磁場によって容易に磁化されるようにする。これによ
り、エミッタ部１０の金属膜８６は、記録媒体から出る
微少な磁場により、一様に同じ向きに磁化され、エミッ
タ部から注入される電子は一定方向のスピンを持つよう
になる。また、積層膜８０の磁性体膜８２にはＣｏＦｅ
合金などのハード磁性体（保磁力の高い磁性体）を用
い、外部磁場に対して、磁化の向きが容易に変わらない
ようにする。更に、二重障壁トンネルダイオードである
積層膜８０の厚さが非弾性散乱長より十分小さければ、
金属膜８６で帯びたスピンの状態を失うことなく、電子
はコレクタ部３０まで到達することが可能になる。
れば、理想的な二重障壁トンネルトランジスタを構成す
ることが可能である。金属膜８５、８６は軟鉄などのソ
フト磁性体（保磁力の低い磁性体）８９から形成し、弱
磁場によって容易に磁化されるようにする。これによ
り、エミッタ部１０の金属膜８６は、記録媒体から出る
微少な磁場により、一様に同じ向きに磁化され、エミッ
タ部から注入される電子は一定方向のスピンを持つよう
になる。また、積層膜８０の磁性体膜８２にはＣｏＦｅ
合金などのハード磁性体（保磁力の高い磁性体）を用
い、外部磁場に対して、磁化の向きが容易に変わらない
ようにする。更に、二重障壁トンネルダイオードである
積層膜８０の厚さが非弾性散乱長より十分小さければ、
金属膜８６で帯びたスピンの状態を失うことなく、電子
はコレクタ部３０まで到達することが可能になる。
【００９０】コレクタ部３０の半導体層３１に、Ｎ型の
シリコンを用いると、通常の金属との間に形成されるシ
ョットキー障壁の高さは、０．５〜１．０ｅＶ程度にな
る。したがって、これを超える１Ｖ以上の電圧をエミッ
タ／ベース間に印加し、電子を注入する。エミッタ／ベ
ース間の電圧を３Ｖ以上とすると、非弾性散乱長が急激
に短くなるので、その分デバイス構造を小さくする必要
がでてくる。よって、１０ｎｍ程度の非弾性散乱長を保
つために、１Ｖから３Ｖ程度のエミッタ／ベース間の電
圧で共鳴トンネル現象が起こるようにする。これは、材
料及び量子井戸の幅を調整することにより容易に達成可
能である。更に、共鳴トンネルデバイスの注入電圧に対
するコレクタ電流の感度を良くするため、ベース／コレ
クタ間電圧を逆電圧にすることにより、ベース／コレク
タ間障壁を調整することも可能である。
シリコンを用いると、通常の金属との間に形成されるシ
ョットキー障壁の高さは、０．５〜１．０ｅＶ程度にな
る。したがって、これを超える１Ｖ以上の電圧をエミッ
タ／ベース間に印加し、電子を注入する。エミッタ／ベ
ース間の電圧を３Ｖ以上とすると、非弾性散乱長が急激
に短くなるので、その分デバイス構造を小さくする必要
がでてくる。よって、１０ｎｍ程度の非弾性散乱長を保
つために、１Ｖから３Ｖ程度のエミッタ／ベース間の電
圧で共鳴トンネル現象が起こるようにする。これは、材
料及び量子井戸の幅を調整することにより容易に達成可
能である。更に、共鳴トンネルデバイスの注入電圧に対
するコレクタ電流の感度を良くするため、ベース／コレ
クタ間電圧を逆電圧にすることにより、ベース／コレク
タ間障壁を調整することも可能である。
【００９１】例えば、図７に示すような状態密度をもつ
磁性体を量子井戸の磁性体８２に用いたとする。この場
合、エネルギーＥ１に相当するホットエレクトロンにつ
いては、量子井戸にダウンスピン電子の状態密度がな
く、アップスピン電子のみしか共鳴準位が存在しないこ
とになる。よって、エネルギーＥ１が共鳴準位に相当す
るように、共鳴トンネルデバイス８０の絶縁膜８１の厚
さを調整すれば、より感度のよい磁気抵抗効果を期待で
きる。
磁性体を量子井戸の磁性体８２に用いたとする。この場
合、エネルギーＥ１に相当するホットエレクトロンにつ
いては、量子井戸にダウンスピン電子の状態密度がな
く、アップスピン電子のみしか共鳴準位が存在しないこ
とになる。よって、エネルギーＥ１が共鳴準位に相当す
るように、共鳴トンネルデバイス８０の絶縁膜８１の厚
さを調整すれば、より感度のよい磁気抵抗効果を期待で
きる。
【００９２】［実施例５］図２３に示す構造において、
コレクタ部の半導体３に１０16ｃｍ-3ドープしたｎ型シ
リコンを用いた。ベース部２０はＡｌ2 Ｏ3 層８１／Ｃ
ｏＦｅ層８２／Ａｌ2 Ｏ3 ８３／Ｆｅ膜８５の積層構造
とし、ここで、Ａｌ2 Ｏ3 層８１、８３の厚さ０．５ｎ
ｍ、量子井戸ＣｏＦｅ層８２及びＦｅ膜８５の厚さを３
ｎｍとした。更に、エミッタ部１０の金属膜８６には軟
鉄を用いた。
コレクタ部の半導体３に１０16ｃｍ-3ドープしたｎ型シ
リコンを用いた。ベース部２０はＡｌ2 Ｏ3 層８１／Ｃ
ｏＦｅ層８２／Ａｌ2 Ｏ3 ８３／Ｆｅ膜８５の積層構造
とし、ここで、Ａｌ2 Ｏ3 層８１、８３の厚さ０．５ｎ
ｍ、量子井戸ＣｏＦｅ層８２及びＦｅ膜８５の厚さを３
ｎｍとした。更に、エミッタ部１０の金属膜８６には軟
鉄を用いた。
【００９３】エミッタ部１０からアップスピンのホット
エレクトロンを注入した時、１．７Ｖにおいて、ピーク
電流が得られたが、ダウンスピンのホットエレクトロン
を注入した時、ピーク電流の１００分の１以下の小さい
電流値を示した。これにより、エミッタ部１０の電子の
スピン状態を識別することができた。
エレクトロンを注入した時、１．７Ｖにおいて、ピーク
電流が得られたが、ダウンスピンのホットエレクトロン
を注入した時、ピーク電流の１００分の１以下の小さい
電流値を示した。これにより、エミッタ部１０の電子の
スピン状態を識別することができた。
【００９４】これは、ＣｏＦｅ合金が、図７に示すよう
な状態密度を持つからと考えられる。即ち、ＣｏＦｅか
らなる量子井戸においては、コレクタ部３０とベース部
２０の金属膜８５との間のショットキー障壁の高さを超
える様なホットエレクトロンに関し、アップスピンには
共鳴準位が存在するが、ダウンスピンには共鳴準位が存
在しないからである。
な状態密度を持つからと考えられる。即ち、ＣｏＦｅか
らなる量子井戸においては、コレクタ部３０とベース部
２０の金属膜８５との間のショットキー障壁の高さを超
える様なホットエレクトロンに関し、アップスピンには
共鳴準位が存在するが、ダウンスピンには共鳴準位が存
在しないからである。
【００９５】［実施例６］ベース部２０以外は実施例５
と同じ条件で、図２３に示す構造を形成した。ベース部
２０はＡｌ2 Ｏ3 層８１／ＣｏＦｅ層８２／Ａｌ2 Ｏ3
層８１／ＣｏＦｅ層８２／Ａｌ2 Ｏ3 層８３／Ｆｅ膜８
５の３重障壁共鳴トンネル構造とし、ここで、Ａｌ2 Ｏ
3 層８１、８３の厚さを０．５ｎｍ、量子井戸ＣｏＦｅ
層８２及びＦｅ膜８５の厚さを３ｎｍとした。
と同じ条件で、図２３に示す構造を形成した。ベース部
２０はＡｌ2 Ｏ3 層８１／ＣｏＦｅ層８２／Ａｌ2 Ｏ3
層８１／ＣｏＦｅ層８２／Ａｌ2 Ｏ3 層８３／Ｆｅ膜８
５の３重障壁共鳴トンネル構造とし、ここで、Ａｌ2 Ｏ
3 層８１、８３の厚さを０．５ｎｍ、量子井戸ＣｏＦｅ
層８２及びＦｅ膜８５の厚さを３ｎｍとした。
【００９６】エミッタ部１０からアップスピンのホット
エレクトロンを注入した時、１．２Ｖにおいて、ピーク
電流が得られたが、ダウンスピンのホットエレクトロン
を注入した時、ピーク電流の１００分の１以下の小さい
電流値を示した。これにより、エミッタ部１０の電子の
スピン状態を識別することができた。
エレクトロンを注入した時、１．２Ｖにおいて、ピーク
電流が得られたが、ダウンスピンのホットエレクトロン
を注入した時、ピーク電流の１００分の１以下の小さい
電流値を示した。これにより、エミッタ部１０の電子の
スピン状態を識別することができた。
【００９７】図２４は、共鳴トンネル構造を用いた、本
発明の更に別の実施形態に係る磁性体デバイスを概念的
に示す図である。この実施形態においては、絶縁膜８１
／磁性体膜８２／絶縁膜８３からなる共鳴トンネル積層
膜８０が、積層膜８０に電子を注入するカソード部（電
子注入部）となる金属膜９１と、積層膜８０から電子が
流入するアノード部（電子収集部）となる金属膜９２
と、の間に配設される。なお、図２４では、積層膜８０
は二重障壁共鳴トンネルダイオードを構成するが、これ
は幾層の共鳴トンネルダイオードであってもよい。
発明の更に別の実施形態に係る磁性体デバイスを概念的
に示す図である。この実施形態においては、絶縁膜８１
／磁性体膜８２／絶縁膜８３からなる共鳴トンネル積層
膜８０が、積層膜８０に電子を注入するカソード部（電
子注入部）となる金属膜９１と、積層膜８０から電子が
流入するアノード部（電子収集部）となる金属膜９２
と、の間に配設される。なお、図２４では、積層膜８０
は二重障壁共鳴トンネルダイオードを構成するが、これ
は幾層の共鳴トンネルダイオードであってもよい。
【００９８】金属膜９１、９２とを同じ材料から形成す
れば、理想的な二重障壁トンネルトランジスタを構成す
ることが可能である。金属膜９１、９２は軟鉄などのソ
フト磁性体から形成し、弱磁場によって容易に磁化され
るようにする。これにより、カソードの金属膜９１は、
記録媒体から出る微少な磁場により、一様に同じ向きに
磁化され、エミッタ部から注入される電子は一定方向の
スピンを持つようになる。また、積層膜８０の磁性体膜
８２にはＣｏＦｅ合金などのハード磁性体を用い、外部
磁場に対して、磁化の向きが容易に変わらないようにす
る。更に、二重障壁トンネルダイオードである積層膜８
０の厚さが非弾性散乱長より十分小さければ、金属膜９
１で帯びたスピンの状態を失うことなく、電子はコレク
タ部３０まで到達することが可能になる。
れば、理想的な二重障壁トンネルトランジスタを構成す
ることが可能である。金属膜９１、９２は軟鉄などのソ
フト磁性体から形成し、弱磁場によって容易に磁化され
るようにする。これにより、カソードの金属膜９１は、
記録媒体から出る微少な磁場により、一様に同じ向きに
磁化され、エミッタ部から注入される電子は一定方向の
スピンを持つようになる。また、積層膜８０の磁性体膜
８２にはＣｏＦｅ合金などのハード磁性体を用い、外部
磁場に対して、磁化の向きが容易に変わらないようにす
る。更に、二重障壁トンネルダイオードである積層膜８
０の厚さが非弾性散乱長より十分小さければ、金属膜９
１で帯びたスピンの状態を失うことなく、電子はコレク
タ部３０まで到達することが可能になる。
【００９９】この様な共鳴トンネルダイオードでは、量
子井戸の磁性体膜８２の分子場に相当する共鳴準位の分
裂が生じ、その分裂に相当する電流電圧特性のピークの
ずれが、スピン状態によって生じる。また、例えば、図
７に示すような状態密度をもつ磁性体を量子井戸の磁性
体８２に用いたとする。この場合、エネルギーＥ１に相
当するホットエレクトロンについては、量子井戸にダウ
ンスピン電子の状態密度がなく、アップスピン電子のみ
しか共鳴準位が存在しないことになる。よって、エネル
ギーＥ１が共鳴準位に相当するように、共鳴トンネルデ
バイス８０の絶縁膜８１の厚さを調整すれば、より感度
のよい磁気抵抗効果を期待できる。
子井戸の磁性体膜８２の分子場に相当する共鳴準位の分
裂が生じ、その分裂に相当する電流電圧特性のピークの
ずれが、スピン状態によって生じる。また、例えば、図
７に示すような状態密度をもつ磁性体を量子井戸の磁性
体８２に用いたとする。この場合、エネルギーＥ１に相
当するホットエレクトロンについては、量子井戸にダウ
ンスピン電子の状態密度がなく、アップスピン電子のみ
しか共鳴準位が存在しないことになる。よって、エネル
ギーＥ１が共鳴準位に相当するように、共鳴トンネルデ
バイス８０の絶縁膜８１の厚さを調整すれば、より感度
のよい磁気抵抗効果を期待できる。
【０１００】［実施例７］図２４に示す構造において、
共鳴トンネル積層膜８０をＡｌ2 Ｏ3 層８１／ＣｏＦｅ
層８２／Ａｌ2 Ｏ3 層８１／ＣｏＦｅ層８２／Ａｌ2 Ｏ
3 層８３／Ｆｅ層の３重障壁共鳴トンネル構造とし、こ
こで、Ａｌ2 Ｏ3 層８１、８３の厚さを０．５ｎｍ、量
子井戸ＣｏＦｅ層８２及びＦｅ層の厚さを３ｎｍとし
た。また、アノード部のＦｅ９２膜の厚さを３ｎｍとし
た。更に、カソード部の金属膜９１には軟鉄を用いた。
共鳴トンネル積層膜８０をＡｌ2 Ｏ3 層８１／ＣｏＦｅ
層８２／Ａｌ2 Ｏ3 層８１／ＣｏＦｅ層８２／Ａｌ2 Ｏ
3 層８３／Ｆｅ層の３重障壁共鳴トンネル構造とし、こ
こで、Ａｌ2 Ｏ3 層８１、８３の厚さを０．５ｎｍ、量
子井戸ＣｏＦｅ層８２及びＦｅ層の厚さを３ｎｍとし
た。また、アノード部のＦｅ９２膜の厚さを３ｎｍとし
た。更に、カソード部の金属膜９１には軟鉄を用いた。
【０１０１】カソード部からアップスピンのホットエレ
クトロンを注入した時、１．２Ｖにおいて、ピーク電流
が得られたが、ダウンスピンのホットエレクトロンを注
入した時、ピーク電流の１００分の１以下の小さい電流
値を示した。これにより、カソード部の電子のスピン状
態を識別することができた。
クトロンを注入した時、１．２Ｖにおいて、ピーク電流
が得られたが、ダウンスピンのホットエレクトロンを注
入した時、ピーク電流の１００分の１以下の小さい電流
値を示した。これにより、カソード部の電子のスピン状
態を識別することができた。
【０１０２】これは、ＣｏＦｅ合金が、図７に示すよう
な状態密度を持つからと考えられる。即ち、ＣｏＦｅか
らなる量子井戸においては、コレクタ部３０とベース部
２０の金属膜８５との間のショットキー障壁の高さを超
える様なホットエレクトロンに関し、アップスピンには
共鳴準位が存在するが、ダウンスピンには共鳴準位が存
在しないからである。
な状態密度を持つからと考えられる。即ち、ＣｏＦｅか
らなる量子井戸においては、コレクタ部３０とベース部
２０の金属膜８５との間のショットキー障壁の高さを超
える様なホットエレクトロンに関し、アップスピンには
共鳴準位が存在するが、ダウンスピンには共鳴準位が存
在しないからである。
【０１０３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の磁性体デ
バイスによれば、磁気抵抗効果を用いた通常の２端子デ
バイスに比べて、より高い感度が得られると共に、小さ
な電流密度で安定した動作特性を得ることができる。ま
た、このような磁性体デバイスを用いた本発明の磁気セ
ンサによれば、安定かつ高感度に外部磁場を検知するこ
とが可能となる。
バイスによれば、磁気抵抗効果を用いた通常の２端子デ
バイスに比べて、より高い感度が得られると共に、小さ
な電流密度で安定した動作特性を得ることができる。ま
た、このような磁性体デバイスを用いた本発明の磁気セ
ンサによれば、安定かつ高感度に外部磁場を検知するこ
とが可能となる。
【図１】本発明に係る磁性体デバイス及びそれを用いた
磁気センサの原理を説明するための図。
磁気センサの原理を説明するための図。
【図２】図１（ａ）に示す積層膜にトンネル障壁を介し
て非磁性体膜が接続されると共にショットキー接合を介
して半導体膜が接続されたデバイスを示す図。
て非磁性体膜が接続されると共にショットキー接合を介
して半導体膜が接続されたデバイスを示す図。
【図３】Ｆｅの電子状態密度を示す図。
【図４】Ｃｏの電子状態密度を示す図。
【図５】本発明の実施形態に係る磁性体デバイスを概念
的に示す図。
的に示す図。
【図６】図５に示す磁性体デバイスの具体的な構造を示
す断面図。
す断面図。
【図７】強磁性体中のスピンに依存した電子状態密度を
示す図。
示す図。
【図８】実施例１の磁性体デバイスのエミッタ／ベース
間のトンネル特性を示す図。
間のトンネル特性を示す図。
【図９】実施例１の磁性体デバイスのベース／コレクタ
間のショットキー特性を示す図。
間のショットキー特性を示す図。
【図１０】実施例１の磁性体デバイスのコレクタ電流の
エミッタ／ベース電圧依存性を示す図。
エミッタ／ベース電圧依存性を示す図。
【図１１】実施例１の磁性体デバイスのコレクタ電流の
磁場応答性を示す図。
磁場応答性を示す図。
【図１２】本発明の別の実施形態に係る磁性体デバイス
を概念的に示す図。
を概念的に示す図。
【図１３】本発明の更に別の実施形態に係る磁性体デバ
イスを概念的に示す図。
イスを概念的に示す図。
【図１４】本発明の更に別の実施形態に係る磁性体デバ
イスを概念的に示す図。
イスを概念的に示す図。
【図１５】本発明の更に別の実施形態に係る磁性体デバ
イスを概念的に示す図。
イスを概念的に示す図。
【図１６】本発明の更に別の実施形態に係る磁性体デバ
イスを概念的に示す図。
イスを概念的に示す図。
【図１７】本発明の更に別の実施形態に係る磁性体デバ
イスを概念的に示す図。
イスを概念的に示す図。
【図１８】図１４に示す磁性体デバイスの具体的な構造
を示す断面図。
を示す断面図。
【図１９】実施例２の磁性体デバイスのコレクタ電流の
磁場応答性を示す図。
磁場応答性を示す図。
【図２０】半導体ヘテロ接合を用いた二重障壁共鳴トン
ネルデバイスのエネルギーバンドを示す図。
ネルデバイスのエネルギーバンドを示す図。
【図２１】図２０に示す共鳴トンネルデバイスの電流電
圧特性を示す図。
圧特性を示す図。
【図２２】図５に示す磁性体デバイスに共鳴トンネル接
合部を用いた、本発明の更に別の実施形態に係る磁性体
デバイスを概念的に示す図。
合部を用いた、本発明の更に別の実施形態に係る磁性体
デバイスを概念的に示す図。
【図２３】本発明の更に別の実施形態に係る磁性体デバ
イスを概念的に示す図。
イスを概念的に示す図。
【図２４】本発明の更に別の実施形態に係る磁性体デバ
イスを概念的に示す図。
イスを概念的に示す図。
１０…エミッタ部、１１…トンネル絶縁膜、１２…非磁
性金属膜、１３…磁性体膜、１４…反強磁性体膜、１６
…半導体層、２０…ベース部、２１ａ、２１ｂ…磁性体
膜、２２…非磁性体膜、２３…磁性積層膜、３０…コレ
クタ部、３１…半導体層、４０…トンネル接合部、５２
…磁性体膜、５３…磁性体膜、５４…反強磁性体膜、５
６…非磁性体膜、６１…非磁性体膜、６２…磁性体膜、
７０…トンネル接合部、７１、７３…障壁層、７２…量
子井戸層、８０…トンネル接合部、８１、８３…障壁
層、８２…量子井戸層、８５、８６…磁性体膜、９１、
９２…磁性体膜。
性金属膜、１３…磁性体膜、１４…反強磁性体膜、１６
…半導体層、２０…ベース部、２１ａ、２１ｂ…磁性体
膜、２２…非磁性体膜、２３…磁性積層膜、３０…コレ
クタ部、３１…半導体層、４０…トンネル接合部、５２
…磁性体膜、５３…磁性体膜、５４…反強磁性体膜、５
６…非磁性体膜、６１…非磁性体膜、６２…磁性体膜、
７０…トンネル接合部、７１、７３…障壁層、７２…量
子井戸層、８０…トンネル接合部、８１、８３…障壁
層、８２…量子井戸層、８５、８６…磁性体膜、９１、
９２…磁性体膜。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山内 尚 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝研究開発センター内 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G11B 5/33 H01F 10/08 H01L 29/872 H01L 43/08
Claims (9)
- 【請求項１】第１及び第２磁性体膜と、前記第１及び第
２磁性体膜間に介在する非磁性体膜と、を含む積層膜
と、 前記積層膜の一方の面にショットキー接合を介して接続
された半導体層を含む電子収集部と、 前記積層膜の他方の面にトンネル接合部を介して接続さ
れた金属膜を含む電子注入部と、を具備することを特徴
とする磁性体デバイス。 - 【請求項２】第１磁性体膜と非磁性体膜とを有する積層
膜と、 前記第１磁性体膜にショットキー接合を介して接続され
た半導体層を含む電子収集部と、 前記非磁性体膜にトンネル接合部を介して接続された第
２磁性体膜を含む電子注入部と、を具備することを特徴
とする磁性体デバイス。 - 【請求項３】前記第１及び第２磁性体膜が互いに異なる
保磁力を有するように設定されることを特徴とする請求
項１または２に記載の磁性体デバイス。 - 【請求項４】前記トンネル接合部が、第１及び第２障壁
層と、前記第１及び第２障壁層間に介在する量子井戸層
と、を含む共鳴トンネル構造を具備することを特徴とす
る請求項１乃至３のいずれかに記載の磁性体デバイス。 - 【請求項５】第１及び第２障壁層と、前記第１及び第２
障壁層間に介在する第１磁性体膜からなる量子井戸層
と、を含む共鳴トンネル構造を有するトンネル接合部
と、 前記トンネル接合部の一方の面に接続された電子収集部
と、 前記トンネル接合部の他方の面に接続された電子注入部
と、前記電子注入部は前記第１磁性体膜よりも低い保磁
力を有する第２磁性体膜を含むことと、を具備すること
を特徴とする磁性体デバイス。 - 【請求項６】前記電子収集部が前記トンネル接合部にシ
ョットキー接合を介して接続された半導体層を含むこと
を特徴とする請求項５に記載の磁性体デバイス。 - 【請求項７】前記トンネル接合部が前記半導体層と前記
ショットキー接合を形成する第３磁性体膜を含み、前記
第３磁性体膜は前記第２磁性体膜と実質的に同じ保磁力
を有することを特徴とする請求項６に記載の磁性体デバ
イス。 - 【請求項８】前記電子収集部が第３磁性体膜を含み、前
記第３磁性体膜は前記第２磁性体膜と実質的に同じ保磁
力を有することを特徴とする請求項５に記載の磁性体デ
バイス。 - 【請求項９】請求項１乃至８のいずれかに記載の磁性体
デバイスと、 前記電子注入部に電圧を印加する電源と、 前記電子収集部から流出する電流を検出する手段と、を
具備し、外部磁界により前記第１及び第２磁性体膜の磁
化方向の相対関係が変化することにより前記電子収集部
から流出する電流が変化し、この電流の変化に基づいて
前記外部磁場が検知されることを特徴とする磁気セン
サ。
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