JP4146202B2 - スピントンネルトランジスタ、磁気再生ヘッド、磁気情報再生システム、及び磁気記憶装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁性体のスピンをトンネル効果に用いたスピントンネルトランジスタ、このスピントンネルトランジスタを用いた磁気ヘッド及び磁気記憶装置、並びにスピントンネルトランジスタを用いた磁気記憶装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
巨大磁気抵抗効果（GMR効果）を利用したGMRヘッドの登場以来、磁気記録の記録密度は年率100％で向上している。GMRヘッドは、磁性層、非磁性層及び磁性層を順次積層したGMR素子を備える。このGMR素子は、非磁性層を介して対向する両磁性層の磁化の相対角度に応じて電気抵抗値が変化する磁気抵抗効果を利用している。GMR素子の中でもスピンバルブと呼ばれる構造が知られている。この構造では、一方の磁性層の磁化は固定され、他方の磁性層の磁化は外部磁場に反応して方向が変わるため、外部磁場の情報（記録媒体からの情報）を磁化の相対角度の変化に応じた両磁性層間の電気抵抗値の変化として読み出すことができる（二端子素子）。
【０００３】
また、同様のニ端子素子として、トンネル磁気抵抗効果（TMR効果）を利用したTMR素子の開発も進められている。TMR素子は磁性層、誘電体からなるトンネル障壁層、及び磁性層の積層膜を備える。やはり、いずれかの磁性層の磁化を固定し、他方の磁性層の磁化を外部磁場に応じて変化するように設定する。そして、２つの磁性層間に電圧を印加してトンネル電流を流すと、2つの磁性層の磁化の相対角度の変化に応じてトンネル電流が変化し、これにより外部磁場情報を読み出すことができる。
【０００４】
一方、スピンバルブトランジスタといわれる三端子素子の開発が進められている。このスピンバルブトランジスタは、トランジスタ一般が備えるエミッタ、ベース、及びコレクタを有し、ベースには磁性金属層を用いる。エミッタ・コレクタには、SMS（Semiconductor- Metal- Semiconductor）構造のように半導体を用いることができる。さらに、エミッタ・ベース間あるいはエミッタ・コレクタ間に誘電体材料からなるトンネル絶縁膜を用いた、MIMS（Metal- Insulator- Metal- Semiconductor）構造、MIMIM（Metal-Insulator-Metal-Insulator-Metal）構造も提案されており、これらはスピントンネル現象を利用していることからスピントンネルトランジスタと呼ばれている(例えば、特許文献１参照)。
【０００５】
ベースの磁性金属には磁性金属層、非磁性金属層、及び磁性金属層が積層されたスピンバルブ構造を採用することができる。スピントンネルトランジスタでは、エミッタからベースにホットエレクトロンを注入し、ホットエレクトロンがベース内でスピンに依存した散乱を受ける。この散乱の大小は2つの磁性金属層の磁化の相対角度に依存し、その結果、コレクタ電流が大きく変化する。コレクタ電流は、2つの磁性層の磁化が平行の状態に最大となり、反平行の状態に最小となる。
【０００６】
試作ではあるが、2つの磁性層の磁化が平行の状態でのコレクタ電流をIcp、反平行の状態でのコレクタ電流をIcapとしたときに、コレクタ電流比（Icp／Icap、以下MR比とする）が、300%程度のスピントンネルトランジスタが得られており、GMR素子やTMR素子よりも高密度な磁気記録用の再生ヘッドを提供できると考えられている（例えば、特願2002-90681参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開2002-26422号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
スピントンネルトランジスタの実用化には、一方の磁性層の磁化を固定する工夫が必要となる。例えば、IrMnなどの反強磁性金属層を磁性層に隣接形成して、両者の交換結合により磁性層の磁化固定を行うことが考えられる。しかし、反強磁性層をベース内に挿入すると、ホットエレクトロンのスピンに依存しない散乱が反強磁性金属層内、及び反強磁性金属と磁性層との界面で増大し、コレクタ電流とMR比が共に減少することが考えられる。
【０００９】
上記事情に鑑み、本発明は、コレクタ電流およびMR比を維持しつつ、磁性層の良好な磁化固定を可能にするスピントンネルトランジスタを提供する事を課題の一つとする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、エミッタと、エミッタの近傍に形成されたコレクタと、エミッタとコレクタ間に形成されたベースであり、エミッタ側に形成された第１の磁性層、コレクタ側に形成された第２の磁性層、及び第１及び第２の磁性層の間に形成された非磁性層を備えるベースと、第１の磁性層とエミッタ間、あるいはコレクタと第２の磁性層間に形成されたトンネル障壁層であって、隣接する第１あるいは第２の磁性層と交換結合した反強磁性トンネル障壁層とを備えるスピントンネルトランジスタ。
【００１１】
本発明によれば、トンネル障壁層あるいはその一部を構成する誘電性の反強磁性層と磁性層の交換相互作用によりベーススピンバルブ膜の磁性層の磁化を一定方向に固定することができる。このような構造により、ホットエレクトロンの良好なスピン伝導を維持することが可能となり、コレクタ電流およびMR比の減少を回避することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。尚、実施形態や実施例を通じて、同一の構成には同一の符号を付して説明することとし、詳細な説明は省略する。
【００１３】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に関るスピントンネルトランジスタを説明するための断面図である。このトランジスタは、半導体基板１に形成されたコレクタ、ベースB及び非磁性金属層１１からなるエミッタを備える。半導体基板１は所定の基板上に形成された半導体層と替えてもよい。また、エミッタも複数の非磁性金属層を含む積層膜としてもよい。このトランジスタは、エミッタ、ベースB、コレクタに夫々端子を備え、この端子（図示せず）より外部回路と接続されている。
【００１４】
ベースＢは、磁性金属層３、非磁性金属層５、及び磁性金属層７を備えるスピンバルブ膜を備える。ベースＢと非磁性金属層１１との間には、反強磁性を示す誘電体材料からなるトンネル障壁層９が形成されている。このトンネル障壁層９は、トンネル伝導が得られる程度に薄く、誘電性を備えており、また、隣接する磁性層７との交換結合を維持できる程度の反強磁性を備える。
【００１５】
磁性層７は、トンネル障壁層９と接して形成され磁気的に交換結合している。この交換結合により、磁性層７の磁化M1は一方向に固定されている。他方の磁性層３の磁化M2は、磁気ディスク等の磁気媒体から伝わる外部磁場に反応して方向が変わるように設定されている。このため、外部磁場の変化に応じて磁性層３の磁化方向が変化して両磁性層３，７の磁化の相対角度が平行と反平行とに変化する。
【００１６】
図２は、図１に示したスピントンネルトランジスタのエネルギーダイアグラムである。
【００１７】
エミッタの非磁性金属層１１とベースＢ間に電圧Vを印加し、非磁性金属層１１からベースＢに電子e（ホットエレクトロンHE）を注入する。エミッタからベースBに注入されたホットエレクトロンHEは、ベースＢ内でそのスピンに依存した散乱を受け、注入されたホットエレクトロンHEの一部がショットキー障壁を越えてコレクタである半導体基板１に到達する。コレクタの半導体基板１に到達した電子はコレクタ電流として端子（図示せず）を介して外部に取り出される。尚、図２中のEFはフェルミ準位を示す。
【００１８】
スピントンネルトランジスタのMR比は、磁性層の磁化に平行なスピン磁気能率を持った電子（アップスピン電子）と反平行なスピン磁気能率を持った電子（ダウンスピン電子）の伝導度が等価でないことから生じる。つまり磁性層３，７の磁化と平行なスピン磁気能率を持ったホットエレクトロンHEは、磁性層３，７の両者、あるいはその一方の磁化と反平行なスピン磁気能率を持ったホットエレクトロンHEに比べて高い伝導率を持つ。
【００１９】
IrMnなどの反強磁性金属はスピン磁気能率の向きにかかわらずホットエレクトロンを強く散乱するので、このような反強磁性金属層がベースＢ中に存在するとコレクタ電流とMR比が低下する恐れがある。
【００２０】
本実施の形態のスピントンネルトランジスタでは、トンネル障壁層９に反強磁性材料を用い、磁性層７の磁化を固定したため、コレクタ電流の減少とMR比の低下を回避することができる。
【００２１】
尚、トンネル障壁層９の反強磁性誘電体には、ネール温度の高い酸化物反強磁性体を用いることが好ましい。また、トンネル障壁層９は、図３に示すように反強磁性体膜１３とAlOx等の非磁性誘電体膜１５との積層構造１７とすることも可能である。積層構造１７にすることにより反強磁性誘電体膜１３の欠陥によるリーク電流を低減することができる。
【００２２】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に関るスピントンネルトランジスタを説明する為の断面図である。このスピントンネルトランジスタは、ベース・エミッタ間に加えてベース・コレクタ間にトンネル接合を設けた点が第１の実施の形態によるスピントンネルトランジスタと異なる。
【００２３】
ベース・コレクタ間のトンネル接合には、半導体基板１とベースＢ間に第２のトンネル障壁層１９を挿入する。この際に、２つのトンネル障壁層９，１９のうち、磁化を固定したい磁性層に隣接するトンネル障壁層に反強磁性誘電体を用いることができる。図４のトランジスタでは、第１のトンネル障壁層９に反強磁性誘電体を用い、第１のトンネル障壁層９と磁性層７を隣接形成し、交換結合させることで、磁性層７の磁化M1を固定することができる。第２のトンネル障壁層１９には非磁性誘電体を用いる。
【００２４】
（第３の実施の形態）
図５は、本発明の第３の実施の形態に関るスピントンネルトランジスタを説明する為の断面図である。
【００２５】
このスピントンネルトランジスタは、エミッタに半導体層２１を用いる点で第２の実施の形態と異なる。つまり、ベースＢと半導体層２１からなるエミッタ間は、金属-絶縁体-半導体接合（MIS接合）となっている。この場合にもトンネル障壁層９に反強磁性を備える誘電体を用いてトンネル障壁層９と磁性層７を交換結合することにより、磁性層７の磁化M1を固定することができる。
【００２６】
本実施の形態によれば、エミッタ・ベースB間がMIS接合となっているためMIM接合に比べてより低い電圧でホットエレクトロンHEを注入することができ、印加電圧Vによる誘電体層の劣化を低減することができる。
【００２７】
次に、本発明の実施例について説明する。
【００２８】
（実施例１）
実施例１では、図１及び図３を参照しつつ、nGaAs基板上にノンドープGaAsコレクタ層１、Fe層、Cu層及びCo層を備えるベースＢ、CoO膜とAl2O3膜の積層構造を備えるトンネル障壁層９、及びAlエミッタ１１を備えるスピントンネルトランジスタについて説明する。
【００２９】
この積層構造は、マルチチャンバーのMBE装置（2×10-10Torr）を用いて作成した。まず、MBE装置の第一チャンバー内で、n+GaAsウェファー上にノンドープのGaAsコレクタ層１を約100ナノメートルの厚さに形成した。 尚、n+GaAsウェハーは(011)面に配向したものを使用した。
【００３０】
次に、ウェファーをMBE装置の第2チャンバー内に移し、層間絶縁膜としてCaF2膜を200ナノメートルの厚さに形成し、GaAsコレクタ層１に達する50×50μm2の開口を形成した。この開口によりベースＢとコレクタ層１間のショットキー接合の面積を決めた。
【００３１】
続いて、コレクタ層１上に、ベースBとなるFe層３（厚さ約1ナノメートル）、Cu層５（厚さ約5ナノメートル）、及びCo層７（厚さ約1ナノメートル）を、クヌードセンセルを用い、0.3 nm/minの速度で形成した。ベースBの各層は(111)面が膜面に優先的に成長した配向膜とした。
【００３２】
続いて、MBE装置の第３チャンバー内で、ベースB上にCoO膜１３（厚さ約1ナノメートル）及びAl2O3膜１５（厚さ約1ナノメートル）からなるトンネル障壁層を形成した。CoO膜１３の磁化は、Co膜面内[110]方向に印加した5000Oeの磁場中、O2分圧10−５Torrの雰囲気下で[110]方向に固定した。
【００３３】
以上の積層膜を形成したウェハーをMBE装置の第２チャンバー内に移し、厚さ約200ナノメートルのCaF2層間絶縁膜を形成した。この層間絶縁膜に面積が約50×50μm2の開口を形成して、ベースBとエミッタ間のトンネル接合のサイズとした。この後、エミッタとしてAl層１１（厚さ約100ナノメートル）を形成した。
【００３４】
このように形成した積層膜の面内に磁場を印加してコレクタ電流の磁場依存性を測定した。図６は、エミッタ・ベースB間に1.5Vの電圧を印加した状態で測定したコレクタ電流（nA）−磁場（Oe）の特性図である。大小二つの磁場での電流のとびが観測されるが、約20Oeの小さな磁場でのとびはFe層３の保磁力に対応し、約700Oeの大きな磁場でのとびは磁化が固定されたCo層７の保磁力に相当する。この素子のMR比は約200%、コレクタ電流とエミッタ−電流の比（コレクタ電流／エミッタ電流、以下、電流透過率とする）は1.2×10-4であった。
【００３５】
（実施例２）
実施例２では、図１の断面図を参照しつつ、トンネル障壁層９に厚さ約2nmのCoO単層を用いたスピントンネルトランジスタについて説明する。
【００３６】
この実施例のスピントンネルトランジスタは、CoOトンエル障壁層９を用いた他は、実施例１と同様の方法により作成した。つまり、nGaAs基板上に、ノンドープGaAsコレクタ層１を介して、Fe層３、Cu層５、及びCo層７を含むベースB、CoOトンネル障壁層９及びAlエミッタ層１１を形成した。コレクタ層１及びベースBの各層は、実施例１と同様に(111)配向とした。
【００３７】
また、この積層膜を作成した後、膜の面内に磁場を印加して、コレクタ電流の磁場依存性を測定した。Fe層3の保磁力に対応した電流のとびは実施例１と同様約20Oeであったが、磁化が固定されたCo層７の保磁力に対応するとびは約1000Oeに増大した。この素子のMR比は約160%、電流透過率は9×10-5であった。
【００３８】
（比較例）
比較例として、nGaAs基板上にノンドープGaAsコレクタ層を介して、Fe層、Cu層及びCo層を含むベースB、Al2O3トンネル障壁層、及びAlエミッタ層を順次積層したスピントンネルトランジスタを作成した。尚、コレクタ層及びベースBの各層は、実施例１と同様に(111)配向とした。
【００３９】
トンネル障壁層を厚さ1.5ナノメートルのAl2O3層とする他は、実施例１と同様の方法でスピントンネルトランジスタを作製し、面内に所定方向の磁場を印加してコレクタ電流の磁場依存性を測定した。磁化が固定されていないFe層の保磁力に対応した電流のとびは実施例１と同様約20Oeだったが、磁化が固定されたCo層７の保磁力に対応したとびは約100Oeであり、実施例１に比較して著しく減少した。この素子のMR比は約160%、電流透過率は1.2×10-4であった。
【００４０】
（実施例３）
実施例３は、ベース・エミッタ間に非磁性材料のトンネル障壁層を、ベース・コレクタ間に反強磁性材料のトンネル障壁層を設けたスピントンネルトランジスタに関する。Alエミッタ層とベースBの間にはCoOトンネル障壁層を用い、CoOトンネル障壁層に隣接する磁性層の磁化は反強磁性結合によって固定した。また、ベースBとコレクタ層間にはAl2O3トンネル障壁層を用いた。
【００４１】
この実施例では、実施例１で述べたのと同様のマルチチャンバーMBE装置を用い、nSi基板上にAlコレクタ層（厚さ約100ナノメートル）を介して、CoOトンネル障壁層（厚さ約3ナノメートル）、Co層（厚さ約2ナノメートル）、Cu層（厚さ約5ナノメートル）及びFe層（厚さ約1ナノメートル）を含むベースB、Al2O3トンネル障壁層（厚さ約1.5ナノメートル）、Alエミッタ層を順次形成した。ベースB内のCo層の磁化は隣接するCoOトンネル障壁層により固定した。
【００４２】
実施例１と同様にAlエミッタ層とベースB間に1.5Vの電圧を印加してコレクタ電流の磁場依存性からCo層およびFe層の保磁力を測定したところ、それぞれ800Oe及び20Oeであった。
【００４３】
（実施例４）
実施例４では、トンネル障壁層を介したベース・エミッタ間にMIS構造を用い、トンネル障壁層には図３に示した反強磁性膜１７を用いたスピントンネルトランジスタを作成した。また、この実施例では、エミッタを基板側に形成し、ベース及びコレクタはエミッタ上に順次形成した。
【００４４】
まず、実施例１で述べたマルチチャンバーMBE装置を用いて、nSi基板（エミッタ）上に、Al2O3（厚さ約0.5ナノメートル）からなるトンネル障壁層を介して、Fe層（厚さ約1ナノメートル）、Cu層（厚さ約5ナノメートル）及びCo層（厚さ約1ナノメートル）を備えるベースB、CoO（厚さ約3ナノメートル）からなるトンネル障壁層、Alコレクタ層（厚さ約100ナノメートル）を逐次形成した。ベース内のCo層の磁化は隣接するCoO層との交換結合により固定した。
【００４５】
このように作成したスピントンネルトランジスタのnSiエミッタとベース間に1.0Vの電圧を印加してコレクタ電流の磁場依存性からCo層及びFe層の保磁力を測定したところ、それぞれ800Oe及び20Oeであった。
【００４６】
以上説明した本発明のスピントンネルトランジスタは、磁気再生ヘッドの再生素子として用いることができる。また、この磁気再生ヘッドはハードディスクドライブ等の磁気情報再生システムに用いるこができる。さらに、本発明のスピントンネルトランジスタは、ROM等の記憶装置の記憶部に用いることができる。
【００４７】
尚、本発明は以上説明した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。例えば、エミッタ、コレクタ、トンネル障壁層及びベースの層も単層から複数層とすることもできる。また、各層材料も上記の種類や組合せに限定されず、幅広く変更可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によればトランジスタのコレクタ電流およびMR比の低下を回避しつつ、実用化に適したスピントンネルトランジスタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第1の実施の形態に関るスピントンネルトランジスタを説明するための断面図である。
【図２】図１のスピントンネルトランジスタのエネルギーダイアグラムである。
【図３】図１のトンネル障壁層９の変形例を説明するための断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に関るスピントンネルトランジスタを説明するための断面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に関るスピントンネルトランジスタを説明するための断面図である。
【図６】本発明の実施例１によるスピントンネルトランジスタのコレクタ電流（nA）−磁場（Oe）特性図である。
【符号の説明】
１…半導体基板（コレクタ）、
３…磁性金属層、
５…非磁性金属層、
７…磁性金属層、
９…反強磁性トンネル障壁層、
１１…非磁性金属層（エミッタ）、
１３…反強磁性誘電体膜
１５…非磁性誘電体膜
１７…反強磁性トンネル障壁層
１９…非磁性トンネル障壁層
２１…半導体層（エミッタ）
B…ベース、
M1…磁性金属層７の磁化
M2…磁性金属層３の磁化
HE…ホットエレクトロン
EF…フェルミ準位
【発明の属する技術分野】
本発明は磁性体のスピンをトンネル効果に用いたスピントンネルトランジスタ、このスピントンネルトランジスタを用いた磁気ヘッド及び磁気記憶装置、並びにスピントンネルトランジスタを用いた磁気記憶装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
巨大磁気抵抗効果（GMR効果）を利用したGMRヘッドの登場以来、磁気記録の記録密度は年率100％で向上している。GMRヘッドは、磁性層、非磁性層及び磁性層を順次積層したGMR素子を備える。このGMR素子は、非磁性層を介して対向する両磁性層の磁化の相対角度に応じて電気抵抗値が変化する磁気抵抗効果を利用している。GMR素子の中でもスピンバルブと呼ばれる構造が知られている。この構造では、一方の磁性層の磁化は固定され、他方の磁性層の磁化は外部磁場に反応して方向が変わるため、外部磁場の情報（記録媒体からの情報）を磁化の相対角度の変化に応じた両磁性層間の電気抵抗値の変化として読み出すことができる（二端子素子）。
【０００３】
また、同様のニ端子素子として、トンネル磁気抵抗効果（TMR効果）を利用したTMR素子の開発も進められている。TMR素子は磁性層、誘電体からなるトンネル障壁層、及び磁性層の積層膜を備える。やはり、いずれかの磁性層の磁化を固定し、他方の磁性層の磁化を外部磁場に応じて変化するように設定する。そして、２つの磁性層間に電圧を印加してトンネル電流を流すと、2つの磁性層の磁化の相対角度の変化に応じてトンネル電流が変化し、これにより外部磁場情報を読み出すことができる。
【０００４】
一方、スピンバルブトランジスタといわれる三端子素子の開発が進められている。このスピンバルブトランジスタは、トランジスタ一般が備えるエミッタ、ベース、及びコレクタを有し、ベースには磁性金属層を用いる。エミッタ・コレクタには、SMS（Semiconductor- Metal- Semiconductor）構造のように半導体を用いることができる。さらに、エミッタ・ベース間あるいはエミッタ・コレクタ間に誘電体材料からなるトンネル絶縁膜を用いた、MIMS（Metal- Insulator- Metal- Semiconductor）構造、MIMIM（Metal-Insulator-Metal-Insulator-Metal）構造も提案されており、これらはスピントンネル現象を利用していることからスピントンネルトランジスタと呼ばれている(例えば、特許文献１参照)。
【０００５】
ベースの磁性金属には磁性金属層、非磁性金属層、及び磁性金属層が積層されたスピンバルブ構造を採用することができる。スピントンネルトランジスタでは、エミッタからベースにホットエレクトロンを注入し、ホットエレクトロンがベース内でスピンに依存した散乱を受ける。この散乱の大小は2つの磁性金属層の磁化の相対角度に依存し、その結果、コレクタ電流が大きく変化する。コレクタ電流は、2つの磁性層の磁化が平行の状態に最大となり、反平行の状態に最小となる。
【０００６】
試作ではあるが、2つの磁性層の磁化が平行の状態でのコレクタ電流をIcp、反平行の状態でのコレクタ電流をIcapとしたときに、コレクタ電流比（Icp／Icap、以下MR比とする）が、300%程度のスピントンネルトランジスタが得られており、GMR素子やTMR素子よりも高密度な磁気記録用の再生ヘッドを提供できると考えられている（例えば、特願2002-90681参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開2002-26422号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
スピントンネルトランジスタの実用化には、一方の磁性層の磁化を固定する工夫が必要となる。例えば、IrMnなどの反強磁性金属層を磁性層に隣接形成して、両者の交換結合により磁性層の磁化固定を行うことが考えられる。しかし、反強磁性層をベース内に挿入すると、ホットエレクトロンのスピンに依存しない散乱が反強磁性金属層内、及び反強磁性金属と磁性層との界面で増大し、コレクタ電流とMR比が共に減少することが考えられる。
【０００９】
上記事情に鑑み、本発明は、コレクタ電流およびMR比を維持しつつ、磁性層の良好な磁化固定を可能にするスピントンネルトランジスタを提供する事を課題の一つとする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、エミッタと、エミッタの近傍に形成されたコレクタと、エミッタとコレクタ間に形成されたベースであり、エミッタ側に形成された第１の磁性層、コレクタ側に形成された第２の磁性層、及び第１及び第２の磁性層の間に形成された非磁性層を備えるベースと、第１の磁性層とエミッタ間、あるいはコレクタと第２の磁性層間に形成されたトンネル障壁層であって、隣接する第１あるいは第２の磁性層と交換結合した反強磁性トンネル障壁層とを備えるスピントンネルトランジスタ。
【００１１】
本発明によれば、トンネル障壁層あるいはその一部を構成する誘電性の反強磁性層と磁性層の交換相互作用によりベーススピンバルブ膜の磁性層の磁化を一定方向に固定することができる。このような構造により、ホットエレクトロンの良好なスピン伝導を維持することが可能となり、コレクタ電流およびMR比の減少を回避することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。尚、実施形態や実施例を通じて、同一の構成には同一の符号を付して説明することとし、詳細な説明は省略する。
【００１３】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に関るスピントンネルトランジスタを説明するための断面図である。このトランジスタは、半導体基板１に形成されたコレクタ、ベースB及び非磁性金属層１１からなるエミッタを備える。半導体基板１は所定の基板上に形成された半導体層と替えてもよい。また、エミッタも複数の非磁性金属層を含む積層膜としてもよい。このトランジスタは、エミッタ、ベースB、コレクタに夫々端子を備え、この端子（図示せず）より外部回路と接続されている。
【００１４】
ベースＢは、磁性金属層３、非磁性金属層５、及び磁性金属層７を備えるスピンバルブ膜を備える。ベースＢと非磁性金属層１１との間には、反強磁性を示す誘電体材料からなるトンネル障壁層９が形成されている。このトンネル障壁層９は、トンネル伝導が得られる程度に薄く、誘電性を備えており、また、隣接する磁性層７との交換結合を維持できる程度の反強磁性を備える。
【００１５】
磁性層７は、トンネル障壁層９と接して形成され磁気的に交換結合している。この交換結合により、磁性層７の磁化M1は一方向に固定されている。他方の磁性層３の磁化M2は、磁気ディスク等の磁気媒体から伝わる外部磁場に反応して方向が変わるように設定されている。このため、外部磁場の変化に応じて磁性層３の磁化方向が変化して両磁性層３，７の磁化の相対角度が平行と反平行とに変化する。
【００１６】
図２は、図１に示したスピントンネルトランジスタのエネルギーダイアグラムである。
【００１７】
エミッタの非磁性金属層１１とベースＢ間に電圧Vを印加し、非磁性金属層１１からベースＢに電子e（ホットエレクトロンHE）を注入する。エミッタからベースBに注入されたホットエレクトロンHEは、ベースＢ内でそのスピンに依存した散乱を受け、注入されたホットエレクトロンHEの一部がショットキー障壁を越えてコレクタである半導体基板１に到達する。コレクタの半導体基板１に到達した電子はコレクタ電流として端子（図示せず）を介して外部に取り出される。尚、図２中のEFはフェルミ準位を示す。
【００１８】
スピントンネルトランジスタのMR比は、磁性層の磁化に平行なスピン磁気能率を持った電子（アップスピン電子）と反平行なスピン磁気能率を持った電子（ダウンスピン電子）の伝導度が等価でないことから生じる。つまり磁性層３，７の磁化と平行なスピン磁気能率を持ったホットエレクトロンHEは、磁性層３，７の両者、あるいはその一方の磁化と反平行なスピン磁気能率を持ったホットエレクトロンHEに比べて高い伝導率を持つ。
【００１９】
IrMnなどの反強磁性金属はスピン磁気能率の向きにかかわらずホットエレクトロンを強く散乱するので、このような反強磁性金属層がベースＢ中に存在するとコレクタ電流とMR比が低下する恐れがある。
【００２０】
本実施の形態のスピントンネルトランジスタでは、トンネル障壁層９に反強磁性材料を用い、磁性層７の磁化を固定したため、コレクタ電流の減少とMR比の低下を回避することができる。
【００２１】
尚、トンネル障壁層９の反強磁性誘電体には、ネール温度の高い酸化物反強磁性体を用いることが好ましい。また、トンネル障壁層９は、図３に示すように反強磁性体膜１３とAlOx等の非磁性誘電体膜１５との積層構造１７とすることも可能である。積層構造１７にすることにより反強磁性誘電体膜１３の欠陥によるリーク電流を低減することができる。
【００２２】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に関るスピントンネルトランジスタを説明する為の断面図である。このスピントンネルトランジスタは、ベース・エミッタ間に加えてベース・コレクタ間にトンネル接合を設けた点が第１の実施の形態によるスピントンネルトランジスタと異なる。
【００２３】
ベース・コレクタ間のトンネル接合には、半導体基板１とベースＢ間に第２のトンネル障壁層１９を挿入する。この際に、２つのトンネル障壁層９，１９のうち、磁化を固定したい磁性層に隣接するトンネル障壁層に反強磁性誘電体を用いることができる。図４のトランジスタでは、第１のトンネル障壁層９に反強磁性誘電体を用い、第１のトンネル障壁層９と磁性層７を隣接形成し、交換結合させることで、磁性層７の磁化M1を固定することができる。第２のトンネル障壁層１９には非磁性誘電体を用いる。
【００２４】
（第３の実施の形態）
図５は、本発明の第３の実施の形態に関るスピントンネルトランジスタを説明する為の断面図である。
【００２５】
このスピントンネルトランジスタは、エミッタに半導体層２１を用いる点で第２の実施の形態と異なる。つまり、ベースＢと半導体層２１からなるエミッタ間は、金属-絶縁体-半導体接合（MIS接合）となっている。この場合にもトンネル障壁層９に反強磁性を備える誘電体を用いてトンネル障壁層９と磁性層７を交換結合することにより、磁性層７の磁化M1を固定することができる。
【００２６】
本実施の形態によれば、エミッタ・ベースB間がMIS接合となっているためMIM接合に比べてより低い電圧でホットエレクトロンHEを注入することができ、印加電圧Vによる誘電体層の劣化を低減することができる。
【００２７】
次に、本発明の実施例について説明する。
【００２８】
（実施例１）
実施例１では、図１及び図３を参照しつつ、nGaAs基板上にノンドープGaAsコレクタ層１、Fe層、Cu層及びCo層を備えるベースＢ、CoO膜とAl2O3膜の積層構造を備えるトンネル障壁層９、及びAlエミッタ１１を備えるスピントンネルトランジスタについて説明する。
【００２９】
この積層構造は、マルチチャンバーのMBE装置（2×10-10Torr）を用いて作成した。まず、MBE装置の第一チャンバー内で、n+GaAsウェファー上にノンドープのGaAsコレクタ層１を約100ナノメートルの厚さに形成した。 尚、n+GaAsウェハーは(011)面に配向したものを使用した。
【００３０】
次に、ウェファーをMBE装置の第2チャンバー内に移し、層間絶縁膜としてCaF2膜を200ナノメートルの厚さに形成し、GaAsコレクタ層１に達する50×50μm2の開口を形成した。この開口によりベースＢとコレクタ層１間のショットキー接合の面積を決めた。
【００３１】
続いて、コレクタ層１上に、ベースBとなるFe層３（厚さ約1ナノメートル）、Cu層５（厚さ約5ナノメートル）、及びCo層７（厚さ約1ナノメートル）を、クヌードセンセルを用い、0.3 nm/minの速度で形成した。ベースBの各層は(111)面が膜面に優先的に成長した配向膜とした。
【００３２】
続いて、MBE装置の第３チャンバー内で、ベースB上にCoO膜１３（厚さ約1ナノメートル）及びAl2O3膜１５（厚さ約1ナノメートル）からなるトンネル障壁層を形成した。CoO膜１３の磁化は、Co膜面内[110]方向に印加した5000Oeの磁場中、O2分圧10−５Torrの雰囲気下で[110]方向に固定した。
【００３３】
以上の積層膜を形成したウェハーをMBE装置の第２チャンバー内に移し、厚さ約200ナノメートルのCaF2層間絶縁膜を形成した。この層間絶縁膜に面積が約50×50μm2の開口を形成して、ベースBとエミッタ間のトンネル接合のサイズとした。この後、エミッタとしてAl層１１（厚さ約100ナノメートル）を形成した。
【００３４】
このように形成した積層膜の面内に磁場を印加してコレクタ電流の磁場依存性を測定した。図６は、エミッタ・ベースB間に1.5Vの電圧を印加した状態で測定したコレクタ電流（nA）−磁場（Oe）の特性図である。大小二つの磁場での電流のとびが観測されるが、約20Oeの小さな磁場でのとびはFe層３の保磁力に対応し、約700Oeの大きな磁場でのとびは磁化が固定されたCo層７の保磁力に相当する。この素子のMR比は約200%、コレクタ電流とエミッタ−電流の比（コレクタ電流／エミッタ電流、以下、電流透過率とする）は1.2×10-4であった。
【００３５】
（実施例２）
実施例２では、図１の断面図を参照しつつ、トンネル障壁層９に厚さ約2nmのCoO単層を用いたスピントンネルトランジスタについて説明する。
【００３６】
この実施例のスピントンネルトランジスタは、CoOトンエル障壁層９を用いた他は、実施例１と同様の方法により作成した。つまり、nGaAs基板上に、ノンドープGaAsコレクタ層１を介して、Fe層３、Cu層５、及びCo層７を含むベースB、CoOトンネル障壁層９及びAlエミッタ層１１を形成した。コレクタ層１及びベースBの各層は、実施例１と同様に(111)配向とした。
【００３７】
また、この積層膜を作成した後、膜の面内に磁場を印加して、コレクタ電流の磁場依存性を測定した。Fe層3の保磁力に対応した電流のとびは実施例１と同様約20Oeであったが、磁化が固定されたCo層７の保磁力に対応するとびは約1000Oeに増大した。この素子のMR比は約160%、電流透過率は9×10-5であった。
【００３８】
（比較例）
比較例として、nGaAs基板上にノンドープGaAsコレクタ層を介して、Fe層、Cu層及びCo層を含むベースB、Al2O3トンネル障壁層、及びAlエミッタ層を順次積層したスピントンネルトランジスタを作成した。尚、コレクタ層及びベースBの各層は、実施例１と同様に(111)配向とした。
【００３９】
トンネル障壁層を厚さ1.5ナノメートルのAl2O3層とする他は、実施例１と同様の方法でスピントンネルトランジスタを作製し、面内に所定方向の磁場を印加してコレクタ電流の磁場依存性を測定した。磁化が固定されていないFe層の保磁力に対応した電流のとびは実施例１と同様約20Oeだったが、磁化が固定されたCo層７の保磁力に対応したとびは約100Oeであり、実施例１に比較して著しく減少した。この素子のMR比は約160%、電流透過率は1.2×10-4であった。
【００４０】
（実施例３）
実施例３は、ベース・エミッタ間に非磁性材料のトンネル障壁層を、ベース・コレクタ間に反強磁性材料のトンネル障壁層を設けたスピントンネルトランジスタに関する。Alエミッタ層とベースBの間にはCoOトンネル障壁層を用い、CoOトンネル障壁層に隣接する磁性層の磁化は反強磁性結合によって固定した。また、ベースBとコレクタ層間にはAl2O3トンネル障壁層を用いた。
【００４１】
この実施例では、実施例１で述べたのと同様のマルチチャンバーMBE装置を用い、nSi基板上にAlコレクタ層（厚さ約100ナノメートル）を介して、CoOトンネル障壁層（厚さ約3ナノメートル）、Co層（厚さ約2ナノメートル）、Cu層（厚さ約5ナノメートル）及びFe層（厚さ約1ナノメートル）を含むベースB、Al2O3トンネル障壁層（厚さ約1.5ナノメートル）、Alエミッタ層を順次形成した。ベースB内のCo層の磁化は隣接するCoOトンネル障壁層により固定した。
【００４２】
実施例１と同様にAlエミッタ層とベースB間に1.5Vの電圧を印加してコレクタ電流の磁場依存性からCo層およびFe層の保磁力を測定したところ、それぞれ800Oe及び20Oeであった。
【００４３】
（実施例４）
実施例４では、トンネル障壁層を介したベース・エミッタ間にMIS構造を用い、トンネル障壁層には図３に示した反強磁性膜１７を用いたスピントンネルトランジスタを作成した。また、この実施例では、エミッタを基板側に形成し、ベース及びコレクタはエミッタ上に順次形成した。
【００４４】
まず、実施例１で述べたマルチチャンバーMBE装置を用いて、nSi基板（エミッタ）上に、Al2O3（厚さ約0.5ナノメートル）からなるトンネル障壁層を介して、Fe層（厚さ約1ナノメートル）、Cu層（厚さ約5ナノメートル）及びCo層（厚さ約1ナノメートル）を備えるベースB、CoO（厚さ約3ナノメートル）からなるトンネル障壁層、Alコレクタ層（厚さ約100ナノメートル）を逐次形成した。ベース内のCo層の磁化は隣接するCoO層との交換結合により固定した。
【００４５】
このように作成したスピントンネルトランジスタのnSiエミッタとベース間に1.0Vの電圧を印加してコレクタ電流の磁場依存性からCo層及びFe層の保磁力を測定したところ、それぞれ800Oe及び20Oeであった。
【００４６】
以上説明した本発明のスピントンネルトランジスタは、磁気再生ヘッドの再生素子として用いることができる。また、この磁気再生ヘッドはハードディスクドライブ等の磁気情報再生システムに用いるこができる。さらに、本発明のスピントンネルトランジスタは、ROM等の記憶装置の記憶部に用いることができる。
【００４７】
尚、本発明は以上説明した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。例えば、エミッタ、コレクタ、トンネル障壁層及びベースの層も単層から複数層とすることもできる。また、各層材料も上記の種類や組合せに限定されず、幅広く変更可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によればトランジスタのコレクタ電流およびMR比の低下を回避しつつ、実用化に適したスピントンネルトランジスタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第1の実施の形態に関るスピントンネルトランジスタを説明するための断面図である。
【図２】図１のスピントンネルトランジスタのエネルギーダイアグラムである。
【図３】図１のトンネル障壁層９の変形例を説明するための断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に関るスピントンネルトランジスタを説明するための断面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に関るスピントンネルトランジスタを説明するための断面図である。
【図６】本発明の実施例１によるスピントンネルトランジスタのコレクタ電流（nA）−磁場（Oe）特性図である。
【符号の説明】
１…半導体基板（コレクタ）、
３…磁性金属層、
５…非磁性金属層、
７…磁性金属層、
９…反強磁性トンネル障壁層、
１１…非磁性金属層（エミッタ）、
１３…反強磁性誘電体膜
１５…非磁性誘電体膜
１７…反強磁性トンネル障壁層
１９…非磁性トンネル障壁層
２１…半導体層（エミッタ）
B…ベース、
M1…磁性金属層７の磁化
M2…磁性金属層３の磁化
HE…ホットエレクトロン
EF…フェルミ準位
Claims (7)
- エミッタと、
前記エミッタの近傍に形成されたコレクタと、
前記エミッタと前記コレクタ間に形成されたベースであり、前記エミッタ側に形成された第１の磁性層、前記コレクタ側に形成された第２の磁性層、及び前記第１及び第２の磁性層の間に形成された非磁性層を備えるベースと、
前記第１の磁性層と前記エミッタ間、あるいは前記コレクタと前記第２の磁性層間に形成されたトンネル障壁層であって、隣接する前記第１あるいは第２の磁性層と交換結合した反強磁性トンネル障壁層とを備えることを特徴とするスピントンネルトランジスタ。 - 前記トンネル障壁層は、反強磁性誘電体膜、あるいは反強磁性誘電体膜と非磁性誘電体膜の積層構造を備えることを特徴とする請求項１記載のスピントンネルトランジスタ。
- 前記反強磁性誘電体膜と隣接する前記第１あるいは第２の磁性層は、Fe, Co及びNiのいずれかの金属、あるいはFe, Co及びNiのいずれかを含む合金を含有し、前記反強磁性誘電体膜は前記金属あるいは合金の酸化物を含有することを特徴とする請求項２記載のスピントンネルトランジスタ。
- 前記トンネル障壁層は前記エミッタと前記第１の磁性層間に形成され、前記エミッタは前記トンネル障壁層に接する半導体表面を備え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スピントンネルトランジスタ。
- 請求項１乃至４のいずれかに記載のスピントンネルトランジスタを備えたことを特徴とする磁気再生ヘッド。
- 請求項５に記載の磁気再生ヘッドを搭載したことを特徴とする磁気情報再生システム。
- 請求項１乃至４のいずれかに記載のスピントンネルトランジスタを備えたことを特徴とする磁気記憶装置。
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