JP5651826B2 - スピン注入電極構造、スピン伝導素子及びスピン伝導デバイス - Google Patents

スピン注入電極構造、スピン伝導素子及びスピン伝導デバイス Download PDF

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Description

本発明は、スピン注入電極構造、スピン伝導素子及びスピン伝導デバイスに関する。
近年、半導体からなるチャンネルにスピンを蓄積する技術が知られている。半導体からなるチャンネルにおけるスピン拡散長は、金属からなるチャンネルにおけるスピン拡散長よりも格段に長い。例えば下記非特許文献１〜４には、シリコンにスピンを注入する技術が記載されている。
Tomoyuki Sasaki et al., "Electrical Spin Injection into Silicon Using MgO Tunnel Barrier," Applied Physics Express 2, The Japan Society of Applied Physics, 2009年, 053003-1頁〜053003-3頁. O. M. J. van't Erve et al., "Electrical injection and detection of spin-polarized carriers in silicon in a lateral transport geometry," APPLIED PHYSICS LETTERS 91, American Institute of Physics, 2007年, 212109-1頁〜212109-3頁. Y. Ando et al., "Electrical injection and detection of spin-polarized electrons in silicon through an Fe3Si/Si Schottky tunnel barrier," APPLIED PHYSICS LETTERS 94, American Institute of Physics, 2009年, 182105-1頁〜182105-3頁 Saroj P. Dash et al., "Electrical creation of spin polarization in silicon at room temperature," nature, Macmillan Publishers Limited, 2009年11月26日, vol.462, 491頁〜494頁
ところで、シリコンにおけるスピンの注入・伝導・検出の応用のためには、室温での十分な出力特性を得ることが望まれている。上記非特許文献１〜３では、シリコンにおけるスピンの注入・伝導・検出が報告されているものの、いずれも１５０Ｋ以下の低温での事象である。上記非特許文献４では、３００Ｋでのシリコンにおけるスピンの蓄積を観測するものの、室温でのシリコンにおけるスピンの伝導現象は観測されておらず、幅広い応用が期待できないのが現状である。このように、室温でのシリコンにおけるスピンの伝導を実現する効果的な注入を実現することが望まれている。
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、室温でのシリコンチャンネル層におけるスピンの効果的な注入を可能とするスピン注入電極構造、スピン伝導素子およびスピン伝導デバイスを提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、本発明のスピン注入電極構造は、シリコンチャンネル層と、シリコンチャンネル層の第一部分上に設けられた第一酸化マグネシウム膜と、第一酸化マグネシウム膜上に設けられた第一強磁性層とを備える。第一酸化マグネシウム膜には、シリコンチャンネル層および第一強磁性層の両方と格子整合している第一格子整合部分が部分的に存在している。
このスピン注入電極構造では、第一酸化マグネシウム膜がシリコンチャンネル層と第一強磁性層との間に設けられている。この第一酸化マグネシウム膜は、シリコンチャンネル層および第一強磁性層の両方と格子整合している第一格子整合部分を部分的に有する。スピン注入電極構造がこのような結晶形態であることにより、室温でのシリコンチャンネル層におけるスピンの効率的な注入が可能となる。これは、スピン注入用電流を第一格子整合部分に狭窄させることで、スピンの注入効率が向上されることに起因すると考えられる。
また、第一酸化マグネシウム膜全体の体積に対する、第一酸化マグネシウム膜における第一格子整合部分の体積の比は５〜５０％であることが好適である。この場合、スピン分極率を高くすることができる。
また、第一酸化マグネシウム膜の膜厚は、０．６ｎｍ以上１．６ｎｍ以下であることが好適である。第一酸化マグネシウム膜の膜厚が１．６ｎｍ以下である場合、得られるスピン出力に対して界面抵抗率を低くしてノイズを抑えることができるので、スピンの注入を好適にできる。また、第一酸化マグネシウム膜の膜厚が０．６ｎｍ以上である場合、シリコンチャンネル層上に均一に成膜された第一酸化マグネシウム膜を用いることができる。
また、第一格子整合部分とシリコンチャンネル層との界面の面積は、第一格子整合部分と第一強磁性層との界面の面積以下であることが好適である。このような面積の関係により、スピン注入用電流を第一格子整合部分によりいっそう狭窄でき、スピン注入効率をよりいっそう向上できる。
また、第一強磁性層の結晶構造は、体心立方格子構造（ＢＣＣ）であることが好適である。この場合、第一酸化マグネシウム膜上に第一強磁性層を部分的にエピタキシャル成長させることができる。
また、第一強磁性層は、ＣｏおよびＦｅからなる群から選択される金属、前記群の元素を１以上含む合金、又は前記群から選択される１以上の元素とＢとを含む化合物であることが好適である。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、スピンの注入電極としての機能を好適に実現することが可能である。
また、第一強磁性層上に形成された反強磁性層を更に備え、反強磁性層は、第一強磁性層の磁化の向きを固定することが好適である。反強磁性層が第一強磁性層と交換結合することにより、第一強磁性層の磁化方向に一方向異方性を付与することが可能となる。この場合、反強磁性層を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する第一強磁性層を得られる。
また、本発明に係るスピン伝導素子は、上述のいずれかのスピン注入電極構造と、更に、シリコンチャンネル層の第二部分上に設けられた第二酸化マグネシウム膜と、第二酸化マグネシウム膜上に設けられた第二強磁性層と、を備え、第二酸化マグネシウム膜には、シリコンチャンネル層および第二強磁性層の両方と格子整合している第二格子整合部分が部分的に存在していることが好ましい。これにより、スピンの相互作用が第二格子整合部分に狭窄して行われるので、スピンの検出効率も上がる。第二酸化マグネシウム膜は、第一酸化マグネシウム膜と同じ構成であることが好ましく、第二強磁性層は、第一強磁性層と同じ構成であることが好ましい。
また、第一強磁性層および第二強磁性層には、形状異方性によって保磁力差が付けられていることが好適である。この場合、保磁力差をつけるための反強磁性層を省略することができる。
一般に、シリコンチャンネル層には、導電性を付与するためのイオンが打ち込まれる。シリコンチャンネル層の表面は、このイオンの打ち込みに起因するダメージが形成されるおそれがある。そこで、シリコンチャンネル層は、第一部分と第二部分との間に窪みを有し、窪みの深さは１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好適である。この場合、表面ダメージの抑制されたシリコンチャンネル層を用いることができる。
また、スピン伝導デバイスは、上述のスピン注入電極構造を有することが好適であり、室温でのシリコンチャンネル層におけるスピンの効果的な注入を可能とするスピン伝導デバイスを提供できる。
本発明によれば、室温でのシリコンチャンネル層におけるスピンの効果的な注入を可能とするスピン注入電極構造、スピン伝導素子およびスピン伝導デバイスを提供できる。
図１は、本実施形態に係るスピン伝導素子の斜視図である。 図２（ａ）は、本実施形態に係るスピン伝導素子の上面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す領域Ｂの拡大図である。 図３は、図１のIII-III線に沿った断面図である。 図４（ａ）は、第一強磁性層１４Ａ及び第二強磁性層１４Ｂの上面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のIVB−IVB線に沿ったスピン注入電極構造の結晶形態を示す断面図である。 図５は、本実施形態に係るスピン注入電極構造の結晶形態によるスピン注入を示す模式図である。 図６は、実施例１で作製されたスピン伝導素子の上面写真図である。 図７（ａ）は、Ｉｎ−ｐｌａｎｅ法でのＸＲＤ測定結果を示すグラフである。図７（ｂ）は、Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法でのＸＲＤ測定結果を示すグラフである。 図８は、ＮＬ測定法における印加磁場と電圧出力の関係を示すグラフである。 図９は、ＮＬ−Ｈａｎｌｅ測定法における印加磁場と電圧出力の関係を示すグラフである。 図１０は、体積比とスピン分極率との関係を示すグラフである。
以下、図面を参照しながら、本発明に係るスピン伝導素子の好適な実施形態について詳細に説明する。図中には、必要に応じてＸＹＺ直交座標軸系が示されている。図１は、本実施形態に係るスピン伝導素子の斜視図である。図２（ａ）は、本実施形態に係るスピン伝導素子の上面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す領域Ｂの拡大図である。図３は、図１のIII-III線に沿った断面図である。
図３に示すように、スピン伝導素子１は、基板１０と、酸化珪素膜１１と、シリコンチャンネル層１２と、第一酸化マグネシウム膜１３Ａと、第二酸化マグネシウム膜１３Ｂと、第一強磁性層１４Ａと、第二強磁性層１４Ｂと、第一参照電極１５Ａと、第二参照電極１５Ｂと、酸化膜７ａと、酸化膜７ｂと、を備える。シリコンチャンネル層１２と、第一酸化マグネシウム膜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。
基板１０、酸化珪素膜１１、およびシリコンチャンネル層１２として、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いることができる。基板１０はシリコン基板であり、酸化珪素膜１１は基板１０上に設けられている。酸化珪素膜１１の膜厚は例えば２００ｎｍである。
シリコンチャンネル層１２は、スピンが拡散し伝導する層として機能する。シリコンチャンネル層１２の上面は例えば（１００）面である。シリコンチャンネル層１２は、例えばＺ軸方向（厚み方向）から見てＸ軸を長軸方向とする矩形状を有している。シリコンチャンネル層１２はシリコンからなり、シリコンチャンネル層１２には必要に応じて一導電性を付与するための不純物イオンが添加されている。イオン濃度は、例えば５．０×１０１９ｃｍ−３である。シリコンチャンネル層１２の膜厚は例えば１００ｎｍである。あるいは、第一酸化マグネシウム膜１３Ａまたは第二酸化マグネシウム膜１３Ｂと、シリコンチャンネル層１２との界面におけるショットキー障壁を調整できるように、当該界面からシリコンチャンネル層１２における１０ｎｍの深さにイオン濃度のピークがあるような構造を有するシリコンチャンネル層１２でもよい。また、シリコンチャンネル層１２のイオン濃度が低い場合、酸化珪素膜１１に電圧を印加し、シリコンチャンネル層１２にキャリアを誘起させるなどの手法も考えられる。
図３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る。
図３に示すように、シリコンチャンネル層１２は、第一凸部（第一部分）１２Ａ、第二凸部（第二部分）１２Ｂ、第三凸部（第三部分）１２Ｃ、第四凸部（第四部分）１２Ｄ、および主部１２Ｅを含む。第一凸部１２Ａ、第二凸部１２Ｂ、第三凸部１２Ｃ、および第四凸部１２Ｄは、主部１２Ｅから突出するように延在する部分であり、この順に所定軸（図３に示す例ではＸ軸）方向に所定の間隔を置いて配列している。
第一凸部１２Ａ、第二凸部１２Ｂ、第三凸部１２Ｃ、および第四凸部１２Ｄの膜厚（図３に示す例ではＺ軸方向の長さ）Ｈ１は、例えば２０ｎｍである。主部１２Ｅの膜厚（図３に示す例ではＺ軸方向の長さ）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例えば１μｍ以下である。第一強磁性層１４Ａから第一凸部１２Ａに注入されたスピン、あるいは第二強磁性層１４Ｂから第二凸部１２Ｂに注入されたスピンは、主部１２Ｅにおける第一凸部１２Ａと第二凸部１２Ｂとの間の領域を拡散・伝導する。
第一酸化マグネシウム膜１３Ａおよび第二酸化マグネシウム膜１３Ｂは、強磁性体（第一強磁性層１４Ａおよび第二強磁性層１４Ｂ）のスピン分極と、シリコンチャンネル層１２のスピン分極とを効率的に接続するためのトンネル絶縁膜として機能する。第一酸化マグネシウム膜１３Ａは、シリコンチャンネル層１２の第一部分である第一凸部１２Ａ上に設けられている。第二酸化マグネシウム膜１３Ｂは、シリコンチャンネル層１２の第二部分である第二凸部１２Ｂ上に設けられている。第一酸化マグネシウム膜１３Ａおよび第二酸化マグネシウム膜１３Ｂは、シリコンチャンネル層１２の例えば（１００）面上に結晶成長されたものである。これらの第一酸化マグネシウム膜１３Ａまたは第二酸化マグネシウム膜１３Ｂが設けられていることにより、第一強磁性層１４Ａまたは第二強磁性層１４Ｂからシリコンチャンネル層１２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１の電位出力を高めることが可能となる。
第一酸化マグネシウム膜１３Ａおよび第二酸化マグネシウム膜１３Ｂの膜厚は１．６ｎｍ以下であることが好ましい。この場合、得られるスピン出力に対して界面抵抗率を１００ｋΩμｍ２以下に低くしてノイズを抑えることができるので、スピンの注入や出力を好適に行える。また、第一酸化マグネシウム膜１３Ａおよび第二酸化マグネシウム膜１３Ｂの膜厚は、一原子層厚を考慮して、０．６ｎｍ以上であることが好適であり、この場合、シリコンチャンネル層１２上に均一に成膜された第一酸化マグネシウム膜１３Ａおよび第二酸化マグネシウム膜１３Ｂを用いることができる。
第一強磁性層１４Ａおよび第二強磁性層１４Ｂの一方は、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内の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、第一酸化マグネシウム膜１３Ａ上に設けられている。第二強磁性層１４Ｂは、第二酸化マグネシウム膜１３Ｂ上に設けられている。
第一強磁性層１４Ａおよび第二強磁性層１４Ｂは強磁性材料からなる。第一強磁性層１４Ａおよび第二強磁性層１４Ｂの材料の一例として、ＣｏおよびＦｅからなる群から選択される金属、前記群の元素を１以上含む合金、又は、前記群から選択される１以上の元素とＢとからなる化合物が挙げられる。第一強磁性層１４Ａおよび第二強磁性層１４Ｂの結晶構造は、体心立方格子構造であることが好適である。これにより、第一酸化マグネシウム膜上に第一強磁性層を部分的にエピタキシャル成長させることができるとともに、第二酸化マグネシウム膜上に第二強磁性層を部分的にエピタキシャル成長させることができる。
図１に示す例では、第一強磁性層１４Ａおよび第二強磁性層１４Ｂは、Ｙ軸方向を長軸とした直方体形状を有している。第一強磁性層１４Ａおよび第二強磁性層１４Ｂの形状異方性によって、第一強磁性層１４Ａおよび第二強磁性層１４Ｂとは保磁力差が付けられていることが好適である。第一強磁性層１４Ａの幅（Ｘ軸方向の長さ）は、例えば３５０ｎｍ程度となっている。第二強磁性層１４Ｂの幅（Ｘ軸方向の長さ）は、例えば２μｍ程度となっている。図１に示す例では、第一強磁性層１４Ａの保磁力は、第二強磁性層１４Ｂの保磁力よりも大きくなっている。
第一参照電極１５Ａおよび第二参照電極１５Ｂは、シリコンチャンネル層１２に検出用電流を流すための電極としての機能と、スピンによる出力を読み取るための電極としての機能を有する。第一参照電極１５Ａは、シリコンチャンネル層１２の第三凸部１２Ｃ上に設けられている。第二参照電極１５Ｂは、シリコンチャンネル層１２の第四凸部１２Ｄ上に設けられている。第一参照電極１５Ａ及び第二参照電極１５Ｂは、導電性材料からなり、例えばＡｌなどのＳｉに対して低抵抗な非磁性金属からなる。
酸化膜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、酸化膜７ｂは、シリコンチャンネル層１２、酸化膜７ａ、第一酸化マグネシウム膜１３Ａ、第二酸化マグネシウム膜１３Ｂ、第一強磁性層１４Ａ、第二強磁性層１４Ｂ、第一参照電極１５Ａ、及び第二参照電極１５Ｂの側面上に形成されている。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、第一参照電極１５Ａ、および第二参照電極１５Ｂの設けられていない主部１２Ｅ上には、酸化膜７ｂが形成されている。酸化膜７ｂは、第一酸化マグネシウム膜１３Ａと第二酸化マグネシウム膜１３Ｂとの間において、シリコンチャンネル層１２の主部１２Ｅ上に設けられている。酸化膜７ｂは、シリコンチャンネル層１２、第一酸化マグネシウム膜１３Ａ、第二酸化マグネシウム膜１３Ｂ、第一強磁性層１４Ａ、第二強磁性層１４Ｂ、第一参照電極１５Ａ、および第二参照電極１５Ｂの保護膜として機能し、これらの層の劣化を抑制する。酸化膜７ｂは、例えば酸化珪素膜である。
図１に示すように、第一参照電極１５Ａ上及び酸化膜７ｂ（シリコンチャンネル層１２の傾斜した側面）上に、配線１８Ａが設けられている。同様に、第一強磁性層１４Ａ上及び酸化膜７ｂ上に、配線１８Ｂが設けられている。第二強磁性層１４Ｂ上及び酸化膜７ｂ上に、配線１８Ｃが設けられている。第二参照電極１５Ｂ上及び酸化膜７ｂ上に、配線１８Ｄが設けられている。配線１８Ａ〜１８Ｄは、Ｃｕなどの導電性材料からなる。酸化膜７ｂ上に配線を設けることにより、この配線によってシリコンチャンネル層１２内を伝導するスピンが吸収されることを抑制できる。また、酸化膜７ｂ上に配線を設けることにより、配線からシリコンチャンネル層１２へ電流が流れることを抑制でき、スピン注入効率を向上できる。また、配線１８Ａ〜１８Ｄのそれぞれの端部には、測定用の電極パッドＥ１〜Ｅ４が設けられている。配線１８Ａ〜１８Ｄの端部及び測定用の電極パッドＥ１〜Ｅ４は、酸化珪素膜１１上に形成されている。電極パッドＥ１〜Ｅ４は、Ａｕなどの導電性材料からなる。
図４（ａ）は、第一強磁性層１４Ａ及び第二強磁性層１４Ｂの上面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のIVB−IVB線に沿ったスピン注入電極構造の結晶形態を示す断面図である。スピン注入電極構造ＩＥでは、シリコンチャンネル層１２の例えば（１００）面上に、第一酸化マグネシウム膜１３Ａ（または第二酸化マグネシウム膜１３Ｂ）と、第一強磁性層１４Ａ（または第二強磁性層１４Ｂ）とが積層された構造となっている。第一酸化マグネシウム膜１３Ａには、シリコンチャンネル層１２および第一強磁性層１４Ａの両方と格子整合している部分（第一格子整合部分）Ｐが部分的に存在している。この「格子整合している部分Ｐが部分的に存在している」とは、第一酸化マグネシウム膜１３Ａの少なくとも一部には、シリコンチャンネル層１２および第一強磁性層１４Ａの両方と格子整合していない部分が含まれていることを表す。より具体的には、第一酸化マグネシウム膜１３Ａには、シリコンチャンネル層１２の第一凸部１２Ａおよび第一強磁性層１４Ａの両方と格子整合している部分（第一格子整合部分）Ｐと、シリコンチャンネル層１２の第一凸部１２Ａおよび第一強磁性層１４Ａの両方と格子整合していない部分（第一非格子整合部分）Ｎとが混在している。第一非格子整合部分Ｎは、第一酸化マグネシウム膜１３Ａの非晶質（アモルファス）部分、あるいは第一格子整合部分Ｐの面内の結晶方位と４５°ずれた結晶方位を有する結晶部分が非晶質層上に存在する部分であると考えられる。
同様に、第二酸化マグネシウム膜１３Ｂには、シリコンチャンネル層１２および第二強磁性層１４Ｂの両方と格子整合している部分（第二格子整合部分）Ｐが部分的に存在している。この「格子整合している部分Ｐが部分的に存在している」とは、第二酸化マグネシウム膜１３Ｂの少なくとも一部には、シリコンチャンネル層１２および第二強磁性層１４Ｂの両方と格子整合していない部分が含まれていることを表す。より具体的には、第二酸化マグネシウム膜１３Ｂには、シリコンチャンネル層１２の第二凸部１２Ｂおよび第二強磁性層１４Ｂの両方と格子整合している部分（第二格子整合部分）Ｐと、シリコンチャンネル層１２の第一凸部１２Ａおよび第二強磁性層１４Ｂの両方と格子整合していない部分（第二非格子整合部分）Ｎとが混在している。第二非格子整合部分Ｎは、第二酸化マグネシウム膜１３Ｂの非晶質（アモルファス）部分、あるいは第二格子整合部分Ｐの面内の結晶方位と４５°ずれた結晶方位を有する結晶部分が非晶質層上に存在する部分であると考えられる。
また、第一酸化マグネシウム膜１３Ａ全体の体積に対する、第一酸化マグネシウム膜１３Ａにおける第一格子整合部分Ｐの体積の比は５〜５０％であることが好適である。同様に、第二酸化マグネシウム膜１３Ｂ全体の体積に対する、第二酸化マグネシウム膜１３Ｂにおける第一格子整合部分Ｐの体積の比は５〜５０％であることが好適である。このような体積比である場合、スピン分極率を高くすることができる。なお、上記体積比が５％未満である場合、第一酸化マグネシウム膜１３Ａまたは第二酸化マグネシウム膜１３Ｂのほぼ全体がアモルファス状態であるので、スピン分極率が低くなる。また体積比が５０％を超える場合、第一酸化マグネシウム膜１３Ａまたは第二酸化マグネシウム膜１３Ｂの大部分が単結晶部分であるので、スピン分極率が低くなる。
「格子整合している」とは、隣接する２つの層の界面において結晶格子の連続性が保たれている状態を表す。厳密には、連続性は保たれているものの、隣接する２つの層の界面付近では隣接する２つの層の結晶格子が歪み、それぞれの層が安定な結晶格子を保てる範囲で隣接する層の結晶格子に合わせて歪む状態を表す。また、「格子整合していない」とは、隣接する２つの層の界面において結晶格子が不連続である状態を表し、例えば、隣接する２つの層の界面において、アモルファス層による格子緩衝層が形成された状態や、方位の異なる結晶が接合して結晶粒界が形成された状態を表す。
図４（ｂ）に示すように、シリコンチャンネル層１２上における第一酸化マグネシウム膜１３Ａ（または第二酸化マグネシウム膜１３Ｂ）の結晶成長は、シリコンチャンネル層１２の最表面の結晶を種にしてなされる。具体的には、図４（ｂ）における左側の第一格子整合部分（または第二格子整合部分）Ｐで示す例では、成膜方向に棒状にエピタキシャル成長した膜となっている。この場合、シリコンチャンネル層１２の第一凸部１２Ａ（または第二凸部１２Ｂ）と、第一酸化マグネシウム膜１３Ａ（または第二酸化マグネシウム膜１３Ｂ）との界面における幅Ｘ１は、第一強磁性層１４Ａ（または第二強磁性層１４Ｂ）と、第一酸化マグネシウム膜１３Ａ（または第二酸化マグネシウム膜１３Ｂ）との界面における幅Ｘ２と同程度となっている。
あるいは、図４（ｂ）における右側の第一格子整合部分（または第二格子整合部分）Ｐで示す例では、結晶成長後期の方がより大きな結晶化領域となるようにエピタキシャル成長した膜である。この場合、第一酸化マグネシウム膜１３Ａ（または第二酸化マグネシウム膜１３Ｂ）と、第一強磁性層１４Ａ（または第二強磁性層１４Ｂ）との界面における幅Ｘ２は、第一酸化マグネシウム膜１３Ａ（または第二酸化マグネシウム膜１３Ｂ）と、シリコンチャンネル層１２の第一凸部１２Ａ（または第二凸部１２Ｂ）との界面における幅Ｘ１より大きくなっている。また、第一格子整合部分（または第二格子整合部分）Ｐとシリコンチャンネル層１２の第一凸部１２Ａ（または第二凸部１２Ｂ）との界面の面積は、第一格子整合部分（または第二格子整合部分）Ｐと第一強磁性層１４Ａ（または第二強磁性層１４Ｂ）との界面の面積以下である。このような面積の関係により、スピン注入用電流を第一格子整合部分（または第二格子整合部分）Ｐに、よりいっそう狭窄でき、スピン注入効率をよりいっそう向上できる。
図５は、本実施形態に係るスピン注入電極構造ＩＥの結晶形態におけるスピン注入を示す模式図である。上述したように、第一酸化マグネシウム膜１３Ａ（または第二酸化マグネシウム膜１３Ｂ）において、第一格子整合部分（または第二格子整合部分）Ｐと第一非格子整合部分（または第二非格子整合部分）Ｎとが混在している。このため、スピン注入用電流は、第一強磁性層１４Ａから第一酸化マグネシウム膜１３Ａを介してシリコンチャンネル層１２へ流れ、第一格子整合部分（または第二格子整合部分）Ｐでは第一非格子整合部分（または第二非格子整合部分）Ｎに比べて結晶格子の乱れが少ないため低抵抗になり、高いスピン分極率を持った電流が狭窄されると考えられる。これにより、スピンの注入効率が向上されると考えられる。また、第二酸化マグネシウム膜１３Ｂを介して第二強磁性層１４Ｂと第二凸部１２Ｂとの間で、スピンの伝導効率が良い第二格子整合部分Ｐが支配的になる。これにより、スピンの検出効率が向上されると考えられる。従って、スピン注入電極構造ＩＥあるいはスピン伝導素子１がこのような結晶形態であることにより、室温でのシリコンチャンネル層におけるスピンの効果的な注入が可能となる。
なお、シリコンチャンネル層へのスピン注入で効果的な手法として、シリコンチャンネル層上に酸化マグネシウム膜を全面的にエピタキシャル成長させ、コヒーレントなトンネル電流を流すことによって、強磁性層からシリコンチャンネル層へスピンを注入する方法が考えられている。しかしながら、シリコンチャンネル層上に酸化マグネシウム膜が全面的にエピタキシャル成長した例はない。
以下、本実施形態に係るスピン伝導素子１のＮＬ（非局所）測定法を用いる動作の一例について説明する。ＮＬ測定法では、図３に示すように、スピン伝導素子１は例えばＹ軸方向の外部磁場Ｂ１を検出する。第一強磁性層１４Ａの磁化方向Ｇ１（Ｙ軸方向）を第二強磁性層１４Ｂの磁化方向Ｇ２（Ｙ軸方向）と同一方向に固定する。また、図１に示すように、電極パッドＥ１及びＥ３を交流電流源７０に接続することにより、第一強磁性層１４Ａに検出用電流を流す。強磁性体である第一強磁性層１４Ａから、第一酸化マグネシウム膜１３Ａを介して、非磁性体のシリコンチャンネル層１２へ検出用電流が流れることにより、第一強磁性層１４Ａの磁化の向きＧ１に対応するスピンを有する電子がシリコンチャンネル層１２へ注入される。注入されたスピンは第二強磁性層１４Ｂ側へ拡散していく。このように、シリコンチャンネル層１２に流れる電流及びスピン流が、主に所定の軸（Ｘ軸）方向に流れる構造とすることができる。そして、外部磁場Ｂ１によって変化される第一強磁性層１４Ａの磁化の向き、すなわち電子のスピンと、シリコンチャンネル層１２の第二強磁性層１４Ｂと接する部分の電子のスピンとの相互作用により、シリコンチャンネル層１２と第二強磁性層１４Ｂの間において出力が発生する。この出力は、電極パッドＥ２及びＥ４に接続した出力測定器８０により検出する。
次に、本実施形態に係るスピン伝導素子１のＮＬ−Ｈａｎｌｅ測定法を用いる動作の一例を説明する。ＮＬ−Ｈａｎｌｅ測定法ではＨａｎｌｅ効果を利用する。Ｈａｎｌｅ効果とは、電流によって強磁性電極からチャンネルに注入されたスピンが他の強磁性電極に向かって拡散・伝導する際に、スピンの向きと垂直な方向から外部磁場が印加されたときに、ラーモア歳差を起こす現象である。ＮＬ−Ｈａｎｌｅ測定法では、図３に示すように、スピン伝導素子１は例えばＺ軸方向の外部磁場Ｂ２を検出する。第一強磁性層１４Ａの磁化方向Ｇ１（Ｙ軸方向）は、第二強磁性層１４Ｂの磁化方向Ｇ２（Ｙ軸方向）と同一方向に固定する。そして、第一強磁性層１４Ａおよび第一参照電極１５Ａを交流電流源７０に接続することにより、第一強磁性層１４Ａにスピンの検出用電流を流すことができる。強磁性体である第一強磁性層１４Ａから第一酸化マグネシウム膜１３Ａを介して、非磁性体のシリコンチャンネル層１２へ電流が流れることにより、第一強磁性層１４Ａの磁化の向きＧ１に対応する向きのスピンを有する電子がシリコンチャンネル層１２の第一凸部１２Ａへ注入される。第一凸部１２Ａに注入されたスピンは、主部１２Ｅを通って第二強磁性層１４Ｂ側へ拡散していく。このように、シリコンチャンネル層１２に流れる電流およびスピン流が主にＸ軸方向に流れる構造となる。
ここで、シリコンチャンネル層１２に外部磁場Ｂ２を印加しないとき、すなわち外部磁場がゼロのとき、シリコンチャンネル層１２のうち第一強磁性層１４Ａと第二強磁性層１４Ｂとの間の領域を拡散するスピンの向きは回転しない。よって、予め設定された第二強磁性層１４Ｂの磁化の向きＧ２と同一方向のスピンが、シリコンチャンネル層１２における第二強磁性層１４Ｂ側の領域に拡散してくることとなる。従って、外部磁場がゼロのとき、出力（例えば抵抗出力や電圧出力）は極値となる。なお、電流や磁化の向きで極大値または極小値をとりうる。出力は、第二強磁性層１４Ｂおよび第二参照電極１５Ｂに接続した電圧測定器などの出力測定器８０により評価できる。
対して、シリコンチャンネル層１２に外部磁場Ｂ２を印加する場合を考える。外部磁場Ｂ２は、第一強磁性層１４Ａの磁化方向Ｇ１（図３の例ではＹ軸方向）および第二強磁性層１４Ｂの磁化方向Ｇ２（図３の例ではＹ軸方向）に対して垂直な方向（図３の例ではＺ軸方向）から印加する。外部磁場Ｂ２を印加すると、シリコンチャンネル層１２内を拡散・伝導するスピンの向きは、外部磁場Ｂ２の軸方向（図３の例ではＺ軸方向）を中心として回転する（いわゆるＨａｎｌｅ効果）。シリコンチャンネル層１２における第二強磁性層１４Ｂ側の領域まで拡散してきたときのこのスピンの回転の向きと、予め設定された第二強磁性層１４Ｂの磁化の向きＧ２、すなわちスピンの向きと、の相対角により、シリコンチャンネル層１２と第二強磁性層１４Ｂの界面の出力（例えば抵抗出力や電圧出力）が決定される。外部磁場Ｂ２を印加する場合、シリコンチャンネル層１２内を拡散するスピンの向きは回転するので、第二強磁性層１４Ｂの磁化の向きと向きが揃わない。よって、出力は、外部磁場がゼロのときに極大値をとる場合、外部磁場Ｂ２を印加するときには極大値以下となる。また、出力は、外部磁場がゼロのときに極小値をとる場合、外部磁場Ｂ２を印加するときには極小値以上となる。
従って、ＮＬ−Ｈａｎｌｅ測定法では、外部磁場がゼロのときに出力のピークが現われ、外部磁場Ｂ２を増加または減少させると出力が減少していく。つまり、外部磁場Ｂ２の有無によって出力が変化するので、本実施形態に係るスピン伝導素子１は、例えば磁気センサーとして使用できる。
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。シリコンチャンネル層１２には、導電性を付与するためのイオンが打ち込まれる。このイオン打ち込みに起因して、シリコンチャンネル層１２の表面にはダメージが残る。そこで、シリコンチャンネル層１２の表面から底部に向かってミリングすることが好ましく、シリコンチャンネル層は、第一部分と第二部分との間に窪みを有し、窪みの深さは１０ｎｍ以上であることが好ましい。この場合、表面ダメージの抑制されたシリコンチャンネル層１２を得ることができる。
また、第二強磁性層１４Ｂの磁化方向は、第二強磁性層１４Ｂ上に設けられた反強磁性層によって、固定されていてもよい。この場合、反強磁性層を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する第二強磁性層１４Ｂが得られる。また、第二強磁性層１４Ｂの磁化方向を固定する磁場は、評価対象である外部磁場Ｂ１，Ｂ２よりも大きいことが好ましい。これにより、安定して外部磁場Ｂ１，Ｂ２を検出することができる。また、ＮＬ−Ｈａｎｌｅ測定法では、第一強磁性層１４Ａおよび第二強磁性層１４Ｂは、反強磁性層によって同一の方向に同程度の保磁力をもっていることが好ましい。
また、上述のスピン伝導素子１を複数備えた磁気検出装置とすることができる。例えば、上述のスピン伝導素子１を複数並列あるいは複数積層して、磁気検出装置とすることができる。この場合、各スピン伝導素子１の出力を合算することができる。このような磁気検出装置は、例えば癌細胞などを検知する生体センサーなどに適用できる。
また、上述のスピン注入電極構造ＩＥやスピン伝導素子１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用いることができる。
また、スピン検出部（第二強磁性層１４Ｂ、第二酸化マグネシウム膜１３Ｂ、およびシリコンチャンネル層１２の第二凸部１２Ｂ）の構成は、上記実施形態に限定されず、例えば電流を流すことによってスピンを検出するものでもよい。
以下、実施例を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されない。
（実施例１）
まず、基板、絶縁膜、及びシリコン膜からなるＳＯＩ基板を準備した。基板にはシリコン基板、絶縁膜には２００ｎｍの酸化珪素層を用い、シリコン膜は１００ｎｍであった。シリコン膜に導電性を付与するイオンの打ち込みを行った。その後、９００℃のアニールにより不純物を拡散させて、シリコン膜の電子濃度の調整を行った。この際、シリコン膜全体の平均電子濃度が５．０×１０１９ｃｍ−３となるようにした。
次いで、ＲＣＡ洗浄を用いて、ＳＯＩ基板の表面の付着物、有機物、及び自然酸化膜を除去した。その後、ＨＦ洗浄液を用いてＳＯＩ基板の表面を水素で終端させた。続いて、ＳＯＩ基板を分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置に搬入した。ベース真空度（積層処理を実際に施す前の装置内の真空度）を２．０×１０−９Ｔｏｒｒ以下とした。ＳＯＩ基板の加熱によるフラッシング処理を行った。これにより、シリコン膜表面の水素を離脱させ、清浄表面を形成した。
続いて、ＭＢＥ法を用いて、シリコン膜上に酸化マグネシウム膜、鉄膜、及びチタン膜をこの順に成膜し、積層体を得た。成膜時における真空度は５×１０−８Ｔｏｒｒ以下であった。チタン膜は、鉄膜の酸化による特性劣化を抑制するためのキャップ層である。ここで、シリコン膜、酸化マグネシウム膜、鉄膜の結晶構造をＩｎ−ｐｌａｎｅ法でのＸＲＤ測定およびＯｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法でのＸＲＤ測定により行った。
次いで、積層体の表面の洗浄を行った後、フォトリソグラフィ法およびリフトオフにより、Ｔａのアライメントマークを基板に形成した。続いて、マスクを用いて、シリコン膜を異方性ウェットエッチングによりパターニングした。これにより、側面に傾斜部を有するシリコンチャンネル層１２を得た。この際、シリコンチャンネル層１２のサイズは、２３μｍ×３００μｍとなった。また、得られたシリコンチャンネル層１２の側面を酸化させて、酸化珪素膜（酸化膜７ａ）を形成した。
次いで、フォトリソグラフィ法を用いて、鉄膜をパターニングすることにより、第一強磁性層１４Ａおよび第二強磁性層１４Ｂを形成した。シリコンチャンネル層１２と、第一強磁性層１４Ａおよび第二強磁性層１４Ｂとの間以外に位置する酸化膜とマグネシウム膜を除去した。これにより、第一酸化マグネシウム膜１３Ａおよび第二酸化マグネシウム膜１３Ｂを得た。露出したシリコンチャンネル層１２の一端側と他端側に、Ａｌ膜を形成し、第一参照電極１５Ａおよび第二参照電極１５Ｂをそれぞれ得た。
更に、イオンミリングおよびエッチングを用いて、シリコンチャンネル層１２の表面のうち、第一強磁性層１４Ａ、第二強磁性層１４Ｂ、第一参照電極１５Ａおよび第二参照電極１５Ｂの形成されていない部分において、シリコンチャンネル層１２の表面から２０ｎｍの深さまでシリコンチャンネル層１２を掘り込んだ。これにより、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、および主部１２Ｅを含む構造となった。第一凸部１２Ａ、第二凸部１２Ｂ、第三凸部１２Ｃ、および第四凸部１２Ｄは、この順にＸ軸方向に所定の間隔を置いて配列され、主部１２Ｅから突出するように延在する部分である。第一凸部１２Ａ、第二凸部１２Ｂ、第三凸部１２Ｃ、および第四凸部１２Ｄの膜厚Ｈ１は、１０ｎｍであった。このような構造により、シリコンチャンネル層１２となるシリコン膜に、導電性を付与するイオンの打ち込みの際に形成された表面ダメージが除去された。
さらに、酸化膜７ａ、第一酸化マグネシウム膜１３Ａ、第二酸化マグネシウム膜１３Ｂ、第一強磁性層１４Ａ、第二強磁性層１４Ｂ、第一参照電極１５Ａおよび第二参照電極１５Ｂの側面上と、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、第一参照電極１５Ａおよび第二参照電極１５Ｂの形成されていない主部１２Ｅ上とに、酸化珪素膜（酸化膜７ｂ）を形成した。
次に、第一強磁性層１４Ａ、第二強磁性層１４Ｂ、第一参照電極１５Ａおよび第二参照電極１５Ｂ上に配線１８Ａ〜１８Ｄをそれぞれ形成した。配線１８Ａ〜１８Ｄとして、Ｔａ（厚さ１０ｎｍ）、Ｃｕ（厚さ５０ｎｍ）、及びＴａ（厚さ１０ｎｍ）の積層構造を用いた。さらに、各配線１８Ａ〜１８Ｄの端部にそれぞれ電極パッドＥ１〜Ｅ４を形成した。電極パッドＥ１〜Ｅ４として、Ｃｒ（厚さ５０ｎｍ）とＡｕ（厚さ１５０ｎｍ）の積層構造を用いた。こうして、図１〜３に示すスピン伝導素子１と同様の構成を有する実施例１のスピン伝導素子を作成した。図６に、実施例１で作製したスピン伝導素子の上面写真図を示す。
（ＸＲＤ測定の結果）
上述したシリコン膜、酸化マグネシウム膜、および鉄膜の結晶構造のＸＲＤ測定結果を図７に示す。なお、酸化マグネシウム膜の膜厚が薄いので、酸化マグネシウム膜に起因するピークは図７に現われない。
まず、図７（ｂ）は、Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法でのＸＲＤ測定結果を示すグラフである。Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法は、試料表面に対して平行な格子面を評価する手法である。図７（ｂ）の横軸は２θ／ω（ｄｅｇ．)を示し、縦軸は強度の対数（ａｒｂ．ｕｎｉｔ）を示す。ここで、２θは入射Ｘ線と回折Ｘ線のなす角度を表し、ωは入射Ｘ線と評価試料の表面のなす角度を表す。図７（ｂ）に示されるように、シリコン膜の（４００）面の強度ピークと、鉄膜の（２００）面の強度ピークが観測されており、鉄膜が（１００）配向していることがわかる。また、鉄膜の（２００）面の配向性をロッキングカーブ測定法により評価した結果、Δω（配向性のバラつきを表す）は４．６°であった。以上により、この積層構造では、シリコン膜の（１００）面上に、鉄膜の（１００）面が積層していることがわかる。
次いで、図７（ａ）は、Ｉｎ−ｐｌａｎｅ（面内測定）法でのＸＲＤ測定結果を示すグラフである。Ｉｎ−ｐｌａｎｅ法は、試料表面に対して垂直な格子面を評価する手法である。図７（ａ）に示されるように、シリコン膜では４本の強度ピークが出ており、鉄膜では８本の強度ピークが出ている。ここで、シリコン膜の（０−２−２）面に起因する強度ピークと、鉄膜の（０−１−１）面に起因する強度ピークが試料面内における相対角度でほぼ同じ角度で観測されている。また、シリコン膜の（０−２ ２）面に起因する強度ピークと、鉄膜の（０−１ １）面に起因する強度ピークが試料面内における相対角度でほぼ同じ角度で観測されている。また、シリコン膜の（０ ２ ２）面に起因する強度ピークと、鉄膜の（０ １ １）面に起因する強度ピークが試料面内における相対角度でほぼ同じ角度で観測されている。また、シリコン膜の（０ ２−２）面に起因する強度ピークと、鉄膜の（０ １−１）面に起因する強度ピークが試料面内における相対角度でほぼ同じ角度で観測されている。シリコン膜の（０ ２ ２）面のブラッグ角と鉄膜の（０ １ １）面のブラッグ角を考慮すると、この結果は、シリコン膜と鉄膜の面内の結晶方位が部分的に一致していることを示している。また、結晶格子が一致する結晶方位と、その結晶方位に対して４５度回転した結晶方位と、がほぼ同程度あることがわかる。
ここで、酸化マグネシウム膜上に鉄膜がエピタキシャル成長した場合には、酸化マグネシウム膜と鉄膜の面内の結晶方位は４５度回る。よって、本実施例では、シリコン膜と鉄膜との面内の結晶方位が一致していることから、シリコン膜、酸化マグネシウム膜、および鉄膜の積層構造において、シリコン膜と酸化マグネシウム膜の面内の結晶方位が４５度回っていることが推測される。
また、図７（ａ）に示される強度の値は数百（arb. unit）となっている。この値は、シリコン膜、酸化マグネシウム膜、および鉄膜をすべてエピタキシャル成長した場合の強度の値（例えば数万〜数十万（arb. unit））と比較して、数桁小さいものとなっている。さらに、鉄膜の強度ピークのうちシリコン膜の強度ピークと重なる部分から４５度ずれたところにも４つの強度ピークがある。鉄膜のこの残りの４つの強度ピークは、シリコン膜の強度ピークと重なっていない。よって、シリコン膜と鉄膜の結晶方位が一致していない部分があることがわかる。これは、酸化マグネシウム膜中に非晶質部分などの非格子整合部分があると推測される。以上のような測定結果により、酸化マグネシウム膜には、シリコン膜および鉄膜の両方と格子整合している部分（第一格子整合部分）と、シリコン膜および鉄膜の両方と格子整合していない部分（第一非格子整合部分）とが混在していることがわかる。
（ＮＬ測定の結果）
ＮＬ測定法では、実施例１で作製したスピン伝導素子において、第一強磁性層１４Ａの磁化方向Ｇ１および第二強磁性層１４Ｂの磁化方向Ｇ２を外部磁場Ｂ１の磁化方向と同一方向（図３に示すＹ軸方向）に固定した。このスピン伝導素子に対して、第一強磁性層１４Ａおよび第二強磁性層１４Ｂの磁化方向と平行な方向（Ｙ軸方向）から外部磁場Ｂ１を印加した。交流電流源７０からの検出用電流を第一強磁性層１４Ａへ流すことにより、第一強磁性層１４Ａからシリコンチャンネル層１２へスピンを注入した。そして、外部磁場Ｂ１による磁化変化に基づく出力を出力測定器８０により測定した。この際、温度が８Ｋである場合と３００Ｋである場合の測定を行った。
図８は、ＮＬ測定法における印加磁場と電圧出力の関係を示すグラフである。図８（ａ）は、温度８Ｋにおける測定結果を示し、図８（ｂ）は、温度３００Ｋにおける測定結果を示す。図８（ａ）のＦ１および図８（ｂ）のＦ３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を示し、図８（ａ）のＦ２および図８（ｂ）のＦ４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。
図８（ａ）のＦ１及びＦ２に示されるように、温度８Ｋにおけるスピン伝導素子では、約５０〜６０μＶの電圧出力であった。対して、図８（ｂ）のＦ３及びＦ４に示されるように、温度３００Ｋにおけるスピン伝導素子では、約３〜４μＶの電圧出力であった。以上のように温度依存を評価した結果、出力の減少が伴うものの、スピンによる出力は室温まで観測された。
（ＮＬ−Ｈａｎｌｅ測定の結果）
ＮＬ−Ｈａｎｌｅ測定法では、実施例１で作製したスピン伝導素子において、印加する外部磁場Ｂ２の方向（図３に示すＺ軸方向）を第一強磁性層１４Ａの磁化方向（図３に示すＹ軸方向）Ｇ１および第二強磁性層１４Ｂの磁化方向（図３に示すＹ軸方向）Ｇ２と垂直方向とした。図９は、ＮＬ−Ｈａｎｌｅ測定法における印加磁場と電圧出力の関係を示すグラフである。図９（ａ）におけるＱ１は、第一強磁性層１４Ａの磁化方向を第二強磁性層１４Ｂの磁化方向と平行に固定した場合の温度８Ｋにおける測定結果である。図９（ａ）におけるＱ２は、第一強磁性層１４Ａの磁化方向を第二強磁性層１４Ｂの磁化方向と反平行に固定した場合の温度８Ｋにおける測定結果である。図９（ｂ）のＱ６は、第一強磁性層１４Ａの磁化方向を第二強磁性層１４Ｂの磁化方向と平行に固定した場合の温度３００Ｋにおける測定結果である。図９（ｂ）のＱ７は、第一強磁性層１４Ａの磁化方向を第二強磁性層１４Ｂの磁化方向と反平行に固定した場合の温度３００Ｋにおける測定結果である。
図９（ａ）におけるＱ１や図９（ｂ）におけるＱ６の測定結果からわかるように、外部磁場Ｂ２の印加によって、シリコンチャンネル層を伝導しているスピンが回転・減衰を起こしていることがわかる。また、図９（ｂ）におけるＱ６およびＱ７の測定結果からわかるように、第一強磁性層１４Ａの磁化の向きと第二強磁性層１４Ｂの磁化の向きの組み合わせが異なることで波形が反転している。この波形の反転は、シリコンチャンネル層でのスピン伝導を証明する有力な情報である。以上のように温度依存を評価した結果、出力の減少が多少伴うもののＨａｎｌｅ効果は室温まで観測された。
（体積比とスピン分極率の評価）
まず、図４（ｂ）と同様の断面のＴＥＭ画像を観察することにより、酸化マグネシウム膜全体の面積に対する、酸化マグネシウム膜におけるシリコン膜および鉄膜の両方と格子整合している部分の面積の比を求めた。さらに、断面の構成が断面に垂直な方向に連続していると仮定し、面積比を体積比Ｔと置き換えた。すなわち、体積比Ｔは、酸化マグネシウム膜全体の体積に対する、酸化マグネシウム膜におけるシリコン膜および鉄膜の両方と格子整合している部分の体積の比である。ここでは、複数のスピン伝導素子を作製し、それぞれのスピン伝導素子の体積比Ｔを見積もった。表１に、これらの体積比Ｔとスピン分極率Ｐｓとの関係を示す。
ここでいうスピン分極率Ｐｓとは、シリコンチャンネル層１２であるシリコン膜にスピンが注入されたときの効率、あるいはスピンを検出するときの効率である。スピン分極率Ｐｓは下記式（１）により表され、シリコンチャンネル層１２に注入された直後の電流のスピン分極、あるいはシリコンチャンネル層１２からスピンが検出される直後の電流のスピン分極である。式（１）におけるＩ↑は、アップスピンの状態密度を示し、Ｉ↓は、ダウンスピンの状態密度を示す。なお、表１ではスピン分極率Ｐｓに１００を掛けて％表記としている。
このスピン分極率Ｐｓは数値解析により求めることができる。具体的には図９（ｂ）に示したように、第一強磁性層１４Ａおよび第二強磁性層１４Ｂの磁化方向が平行と反平行の状態についてそれぞれＮＬ−Ｈａｎｌｅ測定を行い、電圧出力ΔＶを求めた。なお、平行と反平行における測定データは原理的に符号が反転するので、平行と反平行における測定データの平均をバックグラウンドとして差し引いた。Ｈａｎｌｅ効果におけるスピン歳差運動は下記式（２）により表される。
さらに、式（２）を解析計算して求まる下記式（３）をフィッティングに用いた。
式（２）または（３）において、Ｉは電流、Ｐsはスピン分極率、ｅは素電荷、Ｎ（ＥＦ）は半導体のフェルミ準位での状態密度、Ｓはシリコンチャンネル層１２であるシリコン膜の断面積、φ（ｔ）は時間ｔにおける電子の拡散密度、ｔは拡散時間、τはスピン寿命、Ｄはスピン拡散定数である。また、ｄは第一強磁性層１４ＡのＸ軸方向の長さの中央部と、第二強磁性層１４ＢのＸ軸方向の長さの中央部との間の距離（電極間距離）である。ωは、ラーモア周波数を表し、ｇを電子のｇ因子とし、μＢを透磁率とし、Ｂを外部磁場とするとω＝ｇμＢＢを満たす。σはシリコン膜の導電率を示し、λＮはスピン拡散長を示す。これらの各パラメータを用いて、スピン分極率Ｐｓを求めた。ただし、シリコンチャンネル層１２に電流を注入したときのスピン分極と、シリコンチャンネル層１２からスピンが検出されるときのスピン分極との分離はできないので、これらの値の２乗の平方根をスピン分極率Ｐｓとした。
図１０は、表１の結果をグラフにしたものである。スピン分極率Ｐｓは体積比Ｔに依存することがわかる。出力が最大となったのは、体積比Ｔが８．９％でスピン分極率Ｐｓが１２％の場合である。この半値の６％を満たすのは、体積比Ｔが５〜４９．９（ほぼ５０）％の場合であり、スピン分極率が相対的に高い。これは、格子整合部分に電流やスピンが狭窄され、高効率の分極が生じたためと考えられる。より望ましい体積比Ｔの範囲は８．９〜３３．３％であり、特にスピン分極率Ｐｓが高く、高出力が観察された。
ＩＥ…スピン注入電極構造、１…スピン伝導素子、１０…基板、１１…酸化珪素膜、１２…シリコンチャンネル層、１３Ａ…第一酸化マグネシウム膜、１３Ｂ…第二酸化マグネシウム膜、１４Ａ…第一強磁性層、１４Ｂ…第二一強磁性層、１５Ａ…第一参照電極、１５Ｂ…第二参照電極、７０…交流電流源、８０…出力測定器、Ｐ…格子整合部分、Ｎ…非格子整合部分。

Claims (8)

  1. シリコンチャンネル層と、
    前記シリコンチャンネル層の第一部分上に設けられた第一酸化マグネシウム膜と、
    前記第一酸化マグネシウム膜上に設けられた第一強磁性層と、を備え、
    前記第一酸化マグネシウム膜には、前記シリコンチャンネル層および前記第一強磁性層の両方と格子整合している第一格子整合部分が部分的に存在し、
    前記第一酸化マグネシウム膜全体の体積に対する、前記第一酸化マグネシウム膜における前記第一格子整合部分の体積の比は５〜５０％である、スピン注入電極構造。
  2. 前記第一酸化マグネシウム膜の膜厚は０．６ｎｍ以上１．６ｎｍ以下である、請求項１に記載のスピン注入電極構造。
  3. 前記第一格子整合部分と前記シリコンチャンネル層との界面の面積は、前記第一格子整合部分と前記第一強磁性層との界面の面積以下である、請求項１又は２に記載のスピン注入電極構造。
  4. 前記第一強磁性層の結晶構造は体心立方格子構造である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピン注入電極構造。
  5. 前記第一強磁性層は、ＣｏおよびＦｅからなる群から選択される金属、前記群の元素を１以上含む合金、又は前記群から選択される１以上の元素とＢとを含む化合物である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のスピン注入電極構造。
  6. 前記第一強磁性層上に形成された反強磁性層を更に備え、
    前記反強磁性層は、前記第一強磁性層の磁化の向きを固定する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピン注入電極構造。
  7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピン注入電極構造と、更に
    前記シリコンチャンネル層の第二部分上に設けられた第二酸化マグネシウム膜と、
    前記第二酸化マグネシウム膜上に設けられた第二強磁性層と、を備え、
    前記第二酸化マグネシウム膜には、前記シリコンチャンネル層および前記第二強磁性層の両方と格子整合している第二格子整合部分が部分的に存在している、スピン伝導素子。
  8. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピン注入電極構造を有するスピン伝導デバイス。
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