JP6093561B2

JP6093561B2 - Spin injection electrode structure and spin transport device

Info

Publication number: JP6093561B2
Application number: JP2012261252A
Authority: JP
Inventors: 智生佐々木; 亨及川; 勇人小池; 洋一石田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2032-11-29
Also published as: JP2014107497A

Description

本発明は、スピン注入電極構造、及びスピン伝導素子に関する。 The present invention relates to a spin injection electrode structure and a spin transport device.

近年、半導体を用いたチャンネルにスピンを蓄積する技術が知られている。半導体を用いたチャンネルにおけるスピン拡散長は、金属を用いた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。 In recent years, a technique for accumulating spin in a channel using a semiconductor is known. The spin diffusion length in a channel using a semiconductor is much longer than the spin diffusion length in a channel using a metal. For example, the following Non-Patent Documents 1 to 4 describe techniques for injecting spin into silicon.

特開２０１０−２３９０１１号公報JP 2010-239011 A

Tomoyuki Sasaki et al., Applied Physics Express 2, p053003-1〜053003-3, (2009)Tomoyuki Sasaki et al., Applied Physics Express 2, p053003-1〜053003-3, (2009) O. M. J. van't Erve et al., APPLIED PHYSICS LETTERS 91, p212109-1〜212109-3, (2007)O. M. J. van't Erve et al., APPLIED PHYSICS LETTERS 91, p212109-1 to 212109-3, (2007) Y. Ando et al., APPLIED PHYSICS LETTERS 94, p182105-1〜182105-3, (2009)Y. Ando et al., APPLIED PHYSICS LETTERS 94, p182105-1 ~ 182105-3, (2009) Saroj P. Dash et al., nature, vol.462, p491〜494,(2009)Saroj P. Dash et al., Nature, vol.462, p491〜494, (2009) T. Suzuki et al., AppliedPhysics Express 4, p023003-1〜023003-3, (2011)T. Suzuki et al., AppliedPhysics Express 4, p023003-1 to 023003-3, (2011)

シリコンでのスピンの注入・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。例えば、上記非特許文献１〜３では、シリコンでのスピンの注入・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。また、上記非特許文献４では、３００Ｋでのシリコンでのスピンの蓄積が観測されているものの、室温においてシリコンでの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。一方、上記非特許文献５では、室温においてシリコンでのスピンの伝導現象が観測されているものの、出力特性は十分ではない。このように、室温において充分な出力特性が得られない理由の一つとしては、シリコンとトンネル層との間の格子定数のずれによって界面でのスピン散乱が誘発されてしまうことが考えられる。このような状況の中、シリコンに限らず、半導体において、室温で充分な出力特性が得られるスピンの伝導を実現する効果的なスピンの注入を実現することが望まれている。 For application of spin injection, conduction, and detection in silicon, it is desired to obtain sufficient output characteristics at room temperature. For example, in Non-Patent Documents 1 to 3 described above, spin injection, conduction, and detection in silicon are reported, but all are events at a low temperature of 150K or less. In Non-Patent Document 4, spin accumulation in silicon at 300 K is observed, but no spin conduction phenomenon in silicon is observed at room temperature, and no wide application is expected at present. is there. On the other hand, in Non-Patent Document 5, although the spin conduction phenomenon in silicon is observed at room temperature, the output characteristics are not sufficient. As described above, one of the reasons why sufficient output characteristics cannot be obtained at room temperature may be that spin scattering at the interface is induced by a shift in lattice constant between silicon and the tunnel layer. Under such circumstances, it is desired to realize effective spin injection that realizes spin conduction that can provide sufficient output characteristics at room temperature in semiconductors, not limited to silicon.

シリコンとトンネル層との間の格子定数のずれによって界面でのスピン散乱を抑制する方法は特許文献１にも記載されている。界面においてスピン散乱を抑制することは、充分な出力特性に繋がる。特許文献１では、シリコン上に第一非晶質酸化マグネシウムを形成し、シリコンと酸化マグネシウムの間の格子不整合によるスピン散乱を抑制すること、及び、第一非晶質酸化マグネシウム上に第一結晶質酸化マグネシウムを形成し、一部コヒーレント効果を残すことで高出力化している。しかし、室温において充分な出力特性を得るには、トンネル層である酸化マグネシウムと第一強磁性層との界面においてもスピン散乱を抑制する必要がある。 A method for suppressing spin scattering at the interface due to a shift in lattice constant between silicon and the tunnel layer is also described in Patent Document 1. Suppressing spin scattering at the interface leads to sufficient output characteristics. In Patent Document 1, a first amorphous magnesium oxide is formed on silicon, spin scattering due to lattice mismatch between silicon and magnesium oxide is suppressed, and a first amorphous magnesium oxide is formed on the first amorphous magnesium oxide. High output is achieved by forming crystalline magnesium oxide and leaving a partial coherent effect. However, in order to obtain sufficient output characteristics at room temperature, it is necessary to suppress spin scattering also at the interface between magnesium oxide as a tunnel layer and the first ferromagnetic layer.

一般的に、上記のような二層のトンネル層を形成する場合には、一方の材料が非晶質であり、結晶系は問題とならない。さらに、強磁性層に接するトンネル層材料としては、一般的にＭｇＯなどの結晶層が良いことが知られている。また、半導体チャンネル層に接するトンネル層材料としても、ＭｇＯなどのトンネル材料が知られているが、結晶質の場合は、半導体チャンネル層とトンネル材料の界面において、結晶格子の違いによる歪によってスピンが強く散乱されるために高出力化が実現できず、充分な出力特性が得られない。 In general, when forming the two tunnel layers as described above, one of the materials is amorphous and the crystal system is not a problem. Furthermore, it is known that a crystal layer such as MgO is generally good as a tunnel layer material in contact with the ferromagnetic layer. As a tunnel layer material in contact with the semiconductor channel layer, a tunnel material such as MgO is known. However, in the case of a crystalline material, spin is caused by strain due to a difference in crystal lattice at the interface between the semiconductor channel layer and the tunnel material. Since it is strongly scattered, high output cannot be realized and sufficient output characteristics cannot be obtained.

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、室温において従来よりも高出力な出力特性を得るため、半導体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及びスピン伝導素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a spin injection electrode structure that enables effective injection of spins in a semiconductor channel layer in order to obtain higher output characteristics than conventional ones at room temperature. And it aims at providing a spin transport element.

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、半導体チャンネル層と、半導体チャンネル層上に設けられた第一トンネル層と、第一トンネル層上に設けられた第二トンネル層と、第二トンネル層上に設けられた強磁性層とを備え、第一トンネル層と第二トンネル層は格子定数が異なり、さらに第一トンネル層と第二トンネル層が異なる結晶系であることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the spin injection electrode structure of the present invention includes a semiconductor channel layer, a first tunnel layer provided on the semiconductor channel layer, a second tunnel layer provided on the first tunnel layer, A ferromagnetic layer provided on the second tunnel layer, wherein the first tunnel layer and the second tunnel layer have different lattice constants, and the first tunnel layer and the second tunnel layer have different crystal systems. Features.

本発明では半導体チャンネル層に接する第一トンネル層の界面、および、強磁性層に接する第二トンネル層の界面は、結晶質であり、半導体チャンネル層と第一トンネル層の界面、および、第二トンネル層と強磁性層の界面を、第一トンネル層と第二トンネル層の界面よりも優先させ、異なる結晶系の材料を組み合わせることによって、従来よりも高出力な出力特性が得られた。 In the present invention, the interface of the first tunnel layer in contact with the semiconductor channel layer and the interface of the second tunnel layer in contact with the ferromagnetic layer are crystalline, the interface between the semiconductor channel layer and the first tunnel layer, and the second By giving priority to the interface between the tunnel layer and the ferromagnetic layer over the interface between the first tunnel layer and the second tunnel layer and combining materials of different crystal systems, higher output characteristics than before were obtained.

上記のように、異なる結晶系のトンネル層材料を積層した場合、トンネル層の界面では、それぞれの層を結晶化させるために界面における歪エネルギーを最小にする結晶格子緩衝領域が必要である。 As described above, when tunnel materials of different crystal systems are stacked, at the interface of the tunnel layer, a crystal lattice buffer region that minimizes strain energy at the interface is necessary to crystallize each layer.

上記結晶格子緩衝領域は非結晶質である。結晶格子緩衝領域を非晶質とすることによって、積層されるトンネル層が異なる結晶系であっても、結晶格子による歪を生じさせることなく形成することが可能であり、スピン散乱が抑制されるため、充分な出力特性が得られる。 The crystal lattice buffer region is amorphous. By making the crystal lattice buffer region amorphous, even if the tunnel layers to be stacked are of different crystal systems, it can be formed without causing distortion due to the crystal lattice, and spin scattering is suppressed. Therefore, sufficient output characteristics can be obtained.

結晶格子緩衝領域は、第一トンネル層と第二トンネル層の構成元素を一部、あるいは、全部を含む構成元素から成る。第一トンネル層と第二トンネル層は異なる結晶系であるが、トンネル層形成時に構成元素が拡散する。拡散した元素は、第一トンネル層と第二トンネル層の主の構成元素とはならず、第一トンネル層と第二トンネル層はそれぞれ所定の結晶構造になるが、第一トンネル層と第二トンネル層の界面付近では拡散した構成元素同士が混ざり合った非晶質の層となっている。 The crystal lattice buffer region is composed of constituent elements including part or all of constituent elements of the first tunnel layer and the second tunnel layer. Although the first tunnel layer and the second tunnel layer have different crystal systems, the constituent elements diffuse when the tunnel layer is formed. The diffused element does not become the main constituent element of the first tunnel layer and the second tunnel layer, and the first tunnel layer and the second tunnel layer each have a predetermined crystal structure. In the vicinity of the interface of the tunnel layer, an amorphous layer in which diffused constituent elements are mixed is formed.

第一トンネル層及び第二トンネル層は、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｔｉのいずれかの元素を含む酸化物から構成される。これらの材料を選択した場合には、異なる結晶系のトンネル層を積層した場合においても高出力を得ることができる。 The first tunnel layer and the second tunnel layer are made of an oxide containing any element of Al, Mg, Si, Zn, and Ti. When these materials are selected, high output can be obtained even when tunnel layers of different crystal systems are stacked.

第一トンネル層は、スピネル構造である。半導体チャンネル層に対してスピネル構造を持つトンネル層は界面における結晶格子の歪が小さく、高出力を得ることができる。 The first tunnel layer has a spinel structure. The tunnel layer having a spinel structure with respect to the semiconductor channel layer has a small distortion of the crystal lattice at the interface and can obtain a high output.

第二トンネル層は、ＮａＣｌ構造である。トンネル層がＮａＣｌ構造の場合、強磁性層から注入されたスピンが高スピン分極率でトンネルし、高出力を得ることができる。 The second tunnel layer has a NaCl structure. When the tunnel layer has an NaCl structure, spins injected from the ferromagnetic layer tunnel with a high spin polarizability, and a high output can be obtained.

半導体チャンネル層は、シリコン、ゲルマニウム、あるいは、ガリウム砒素の何れかの材料からなる。これらの材料はスピン拡散長が長く、又、スピン抵抗が高いため、高出力を得ることができる。 The semiconductor channel layer is made of any material of silicon, germanium, or gallium arsenide. Since these materials have a long spin diffusion length and a high spin resistance, a high output can be obtained.

上記のスピン注入電極構造を半導体チャンネル層の第一部分に設け、更に、前記半導体チャンネル層の第二部分上に設けられた第二トンネル層と、第二トンネル層上に設けられた第二強磁性層と、を備えたスピン伝導素子であることが好ましい。このような構造にすることで、スピン注入電極構造から注入されたスピンを別のスピン注入電極構造で検出することができる。これによって、磁気センサ、Ｓｐｉｎ−ＭＯＳＦＥＴ、あるいは、スピン伝導素子として機能する。 The above spin injection electrode structure is provided in the first portion of the semiconductor channel layer, and further, the second tunnel layer provided on the second portion of the semiconductor channel layer, and the second ferromagnetic layer provided on the second tunnel layer. And a spin transport element including the layer. With this structure, spins injected from the spin injection electrode structure can be detected by another spin injection electrode structure. This functions as a magnetic sensor, Spin-MOSFET, or spin transport element.

また、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、非磁性スピネル膜からなるトンネル層上に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。 The crystal structure of the ferromagnetic layer is preferably a body-centered cubic lattice structure (BCC). In this case, the ferromagnetic layer can be partially epitaxially grown on the tunnel layer made of the nonmagnetic spinel film.

また、強磁性層は、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉ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以上の元素とホウ素（Ｂ）とを含む化合物であることが好ましい。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。 The ferromagnetic layer includes a metal selected from the group consisting of Co, Fe, and Ni, an alloy including one or more elements of the group, or one or more elements selected from the group and boron (B). A compound is preferred. Since these materials are ferromagnetic materials having a high spin polarizability, the function as a spin injection electrode can be suitably realized.

さらに、強磁性層は、ホイスラー合金であることがより好ましい。強磁性層は、Ｘ_２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属でありＸの元素種をとることもでき、Ｚは、III族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ_２ＦｅＳｉやＣｏ_２ＭｎＳｉなどが挙げられる。 Furthermore, the ferromagnetic layer is more preferably a Heusler alloy. The ferromagnetic layer includes an intermetallic compound having a chemical composition of X ₂ YZ, where X is a Co, Fe, Ni, or Cu group transition metal element or noble metal element on the periodic table, and Y is Mn, It is a V, Cr, or Ti group transition metal and can take the elemental species of X, and Z is a typical element from Group III to Group V. For example, Co ₂ FeSi or Co ₂ MnSi can be used.

また、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、強磁性層の磁化の向きを固定することが好適である。反強磁性層が強磁性層と交換結合することにより、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強磁性層が得られる。 In addition, it is preferable to further include an antiferromagnetic layer formed on the ferromagnetic layer, and the antiferromagnetic layer preferably fixes the magnetization direction of the ferromagnetic layer. When the antiferromagnetic layer is exchange coupled with the ferromagnetic layer, unidirectional anisotropy can be imparted to the magnetization direction of the ferromagnetic layer. In this case, a ferromagnetic layer having a higher coercive force in one direction can be obtained than when no antiferromagnetic layer is provided.

また、半導体チャンネル層に設けられたスピン注入電極構造の第一部分と第二部分の強磁性層とは、形状異方性によって保磁力差がつ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。 Moreover, it is preferable that the first portion and the second portion ferromagnetic layer of the spin injection electrode structure provided in the semiconductor channel layer have a coercive force difference due to shape anisotropy. In this case, an antiferromagnetic layer for providing a coercive force difference can be omitted.

一般的に、半導体チャンネル層には、導電性を付与するためのイオンが打ち込まれる。半導体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、半導体チャンネル層は、第一部分と第二部分との間に表面から底部に向かってミリングによって窪みを形成し、その窪みの深さは１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好適である。 Generally, ions for imparting conductivity are implanted into the semiconductor channel layer. The surface of the semiconductor channel layer may be damaged due to the ion implantation. Therefore, the semiconductor channel layer is preferably formed with a recess between the first portion and the second portion by milling from the surface to the bottom, and the depth of the recess is preferably 10 nm or more and 20 nm or less.

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、室温での半導体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素子デバイスを提供できる。 The spin transport device preferably has the above-described spin injection electrode structure, and can provide a spin transport device that enables effective injection of spins in the semiconductor channel layer at room temperature.

本発明によれば、従来のトンネル層よりも半導体チャンネルとトンネル層の界面におけるスピン散乱を抑制しつつ、トンネル層と強磁性層の界面におけるスピン散乱も同時に抑制でき、室温において従来よりも高出力な出力特性が得られ、半導体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。 According to the present invention, the spin scattering at the interface between the tunnel layer and the ferromagnetic layer can be suppressed at the same time while suppressing the spin scattering at the interface between the semiconductor channel and the tunnel layer as compared with the conventional tunnel layer. Therefore, it is possible to provide a spin injection electrode structure, a spin transport element, and a spin transport device that can obtain excellent output characteristics and enable effective injection of spin in the semiconductor channel layer.

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。FIG. 1 is a perspective view of the spin transport device according to the present embodiment. 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。FIG. 2A is a top view of the spin transport device according to the present embodiment. FIG. 2B is an enlarged view of the region B shown in FIG. 図３は、図１のIII−III線に沿った断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 図４は、第一トンネル層１３Ａ及び第二トンネル層１３Ｂと、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層１３Ｂの間の結晶格子緩和領域１６の構成図である。FIG. 4 is a configuration diagram of the first tunnel layer 13A and the second tunnel layer 13B, and the crystal lattice relaxation region 16 between the first tunnel layer 13A and the second tunnel layer 13B. 図５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。FIG. 5 is a graph showing the relationship between the applied magnetic field and the voltage output in the NL measurement method. 図６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。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the applied magnetic field and the voltage output in the NL-Hanle measurement method. 図７は、第一トンネル層１３Ａ及び第二トンネル層１３ＢをＥＤＸにて評価したスペクトルである。FIG. 7 is a spectrum obtained by evaluating the first tunnel layer 13A and the second tunnel layer 13B by EDX.

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。 Hereinafter, a preferred embodiment of a spin transport device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the figure, an XYZ orthogonal coordinate axis system is shown as necessary. FIG. 1 is a perspective view of the spin transport device according to the present embodiment. FIG. 2A is a top view of the spin transport device according to the present embodiment. FIG. 2B is an enlarged view of the region B shown in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG.

図３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において、シリコン基板１０と、酸化珪素膜１１と、シリコンチャンネル層１２と、第一トンネル層１３Ａと、第二トンネル層１３Ｂと、第三トンネル層１３Ｃと、第四トンネル層１３Ｄ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、第一トンネル層１３Ａと、第二トンネル層１３Ｂ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。 As shown in FIG. 3, in the case where silicon is used as a semiconductor, the spin transport element 1 includes a silicon substrate 10, a silicon oxide film 11, a silicon channel layer 12, a first tunnel layer 13A, and a second tunnel layer. 13B, third tunnel layer 13C, fourth tunnel layer 13D, first ferromagnetic layer 14A, second ferromagnetic layer 14B, first reference electrode 15A, second reference electrode 15B, and oxide film 7a And an oxide film 7b. The silicon channel layer 12, the first tunnel layer 13A, the second tunnel layer 13B, and the first ferromagnetic layer 14A constitute the spin injection electrode structure IE.

図４に示すように、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層１３Ｂは積層した構造であり、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層１３Ｂの界面近傍には、結晶格子緩和領域１６が設けられている。結晶格子緩和領域１６は二つの構造をとる。一つは非結晶質の構造である。すなわち、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層１３Ｂの界面近傍では格子定数の差を解消するために、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層１３Ｂの一方、あるいは、両方のトンネル層の一部が非結晶化しているものであり、ＭＢＥ法で成膜した場合に形成される。もう一つは、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層１３Ｂの界面近傍で結晶化したまま混ざり合った構造である。この場合、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層１３Ｂの界面は不明瞭である。これはスパッタ法で形成した場合に形成されやすい。 As shown in FIG. 4, the first tunnel layer 13A and the second tunnel layer 13B have a laminated structure, and a crystal lattice relaxation region 16 is provided in the vicinity of the interface between the first tunnel layer 13A and the second tunnel layer 13B. ing. The crystal lattice relaxation region 16 has two structures. One is an amorphous structure. That is, in order to eliminate the difference in lattice constant near the interface between the first tunnel layer 13A and the second tunnel layer 13B, a part of one or both of the first tunnel layer 13A and the second tunnel layer 13B. Is non-crystallized and is formed when the film is formed by the MBE method. The other is a structure in which the first tunnel layer 13A and the second tunnel layer 13B are mixed while being crystallized in the vicinity of the interface. In this case, the interface between the first tunnel layer 13A and the second tunnel layer 13B is unclear. This is easily formed when formed by sputtering.

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（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）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。また、シリコンチャンネル層１２は、シリコンの代わりにゲルマニウム、あるいは、ガリウム砒素を用いてもほぼ同様の結果が得られる。 As the substrate 10, the silicon oxide film 11, and the silicon channel layer 12, for example, an SOI (Silicon On Insulator) substrate can be used. The substrate 10 is a silicon substrate, and the silicon oxide film 11 is provided on the substrate 10. The film thickness of the silicon oxide film 11 is 200 nm, for example. The silicon channel layer 12 can obtain substantially the same result when germanium or gallium arsenide is used instead of silicon.

シリコンチャンネル層１２は、スピンが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５．０×１０^１９ｃｍ^−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、第一トンネル層１３Ａ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がある。 The silicon channel layer 12 functions as a layer that conducts spin. The upper surface of the silicon channel layer 12 is, for example, a (100) plane. The silicon channel layer 12 has, for example, a rectangular shape with the X axis as the major axis direction when viewed from the Z axis direction (thickness direction). The silicon channel layer 12 is made of silicon, and impurity ions for imparting conductivity are added to the silicon channel layer 12 as necessary. The ion concentration is, for example, 5.0 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ . The film thickness of the silicon channel layer 12 is, for example, 100 nm. Alternatively, in order to be able to adjust the Schottky barrier at the interface between the first tunnel layer 13 A and the silicon channel layer 12, the ion concentration peak is at a depth of 10 nm in the silicon channel layer 12 from the interface. The silicon channel layer 12 may be used. Further, when the ion concentration of the silicon channel layer 12 is low, there is a method of applying a voltage to the silicon oxide film 11 to induce carriers in the silicon channel layer 12.

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。 As shown in FIG. 3, the silicon channel layer 12 has an inclined portion on the side surface, and the inclination angle θ is 50 to 60 degrees. The inclination angle θ is an angle formed by the bottom and side surfaces of the silicon channel layer 12. The silicon channel layer 12 can be formed by wet etching.

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。 As shown in FIG. 3, the silicon channel layer 12 includes a first convex portion (first portion) 12A, a second convex portion (second portion) 12B, a third convex portion (third portion) 12C, and a fourth convex portion ( 4th part) 12D and the main part 12E are included. The first convex portion 12A, the second convex portion 12B, the third convex portion 12C, and the fourth convex portion 12D are portions that extend so as to protrude from the main portion 12E, and in this order a predetermined axis (shown in FIG. 3). In the example, they are arranged at a predetermined interval in the (X-axis) direction.

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０．８μｍ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。 The film thickness (length in the Z-axis direction in the example shown in FIG. 3) H1 of the first convex portion 12A, the second convex portion 12B, the third convex portion 12C, and the fourth convex portion 12D is, for example, 20 nm. The film thickness (length in the Z-axis direction in the example shown in FIG. 3) H2 of the main portion 12E is, for example, 80 nm. A distance L1 between the first convex portion 12A and the third convex portion 12C is, for example, 100 μm or less. The distance d between the central portion of the first convex portion 12A in the X-axis direction and the central portion of the second convex portion 12B in the X-axis direction is preferably equal to or less than the spin diffusion length. The spin diffusion length in the silicon channel layer 12 at room temperature (300 K) is, for example, 0.8 μm. The spins injected from the first ferromagnetic layer 14A into the first convex part 12A or the spins injected from the second ferromagnetic layer 14B into the second convex part 12B are the same as the first convex part 12A and the second convex part in the main part 12E. The region between the convex portion 12B is diffused and conducted.

第一トンネル層１３Ａおよび第二トンネル層１３Ｂは、第一強磁性層１４Ａ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。第一トンネル層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。第二トンネル層１３Ｂは第一トンネル層１３Ａ上に設けられ、第二トンネル層１３Ｂの上には第一強磁性層１４Ａが設けられている。このような構造により、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。 The first tunnel layer 13A and the second tunnel layer 13B function as a tunnel insulating film for efficiently connecting the spin polarization of the first ferromagnetic layer 14A and the spin polarization of the silicon channel layer 12. The first tunnel layer 13 A is provided on the first convex portion 12 A that is the first portion of the silicon channel layer 12. The second tunnel layer 13B is provided on the first tunnel layer 13A, and the first ferromagnetic layer 14A is provided on the second tunnel layer 13B. With such a structure, it becomes possible to inject many spin-polarized electrons from the first ferromagnetic layer 14A or the second ferromagnetic layer 14B to the silicon channel layer 12 and increase the potential output of the spin transport element 1. It becomes possible.

第一トンネル層１３Ａおよび第二トンネル層１３Ｂの合わせた膜厚は２．２ｎｍ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１ＭΩμｍ^２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、第一トンネル層１３Ａおよび第二トンネル層１３Ｂの膜厚は、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トンネル層１３Ａおよび第二トンネル層１３Ｂを用いることができる。 The total film thickness of the first tunnel layer 13A and the second tunnel layer 13B is preferably 2.2 nm or less. In this case, since the interface resistivity can be lowered to 1 MΩμm ² or less with respect to the obtained spin output, noise can be suppressed, so that spin injection and output can be suitably performed. The first tunnel layer 13A and the second tunnel layer 13B preferably have a thickness of 0.6 nm or more. In this case, the first tunnel layer 13A uniformly formed on the silicon channel layer 12 is used. And the 2nd tunnel layer 13B can be used.

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、第二トンネル層１３Ｂ上に設けられている。第二強磁性層１４Ｂは、第四トンネル層１３Ｄ上に設けられている。 One of the first ferromagnetic layer 14A and the second ferromagnetic layer 14B functions as an electrode for injecting spin into the silicon channel layer 12, and the other as an electrode for detecting spin in the silicon channel layer 12. Function. The first ferromagnetic layer 14A is provided on the second tunnel layer 13B. The second ferromagnetic layer 14B is provided on the fourth tunnel layer 13D.

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以上の元素とホウ素（Ｂ）とからなる化合物があげられる。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、第二トンネル層１３Ｂ上に第一強磁性層１４Ａ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、第四トンネル層１３Ｄ上に第二強磁性層１４Ｂを部分的にエピタキシャル成長させることができる。但し、スパッタ法で形成した場合には強磁性材料はコバルト、鉄、ホウ素からなる合金を用い、成膜後にアニールを実施することによって、強磁性層およびトンネル層の結晶化が促進される。 The first ferromagnetic layer 14A and the second ferromagnetic layer 14B are made of a ferromagnetic material. As an example of the material of the first ferromagnetic layer 14A and the second ferromagnetic layer 14B, a metal selected from the group consisting of Co and Fe, an alloy containing one or more elements of the group, or 1 selected from the group The compound which consists of the above element and boron (B) is mention | raise | lifted. The crystal structure of the first ferromagnetic layer 14A and the second ferromagnetic layer 14B is preferably a body-centered cubic lattice structure. Accordingly, the first ferromagnetic layer 14A can be partially epitaxially grown on the second tunnel layer 13B, and the second ferromagnetic layer 14B can be partially epitaxially grown on the fourth tunnel layer 13D. However, when formed by sputtering, the ferromagnetic material is an alloy composed of cobalt, iron, and boron, and annealing is performed after the film formation, so that crystallization of the ferromagnetic layer and the tunnel layer is promoted.

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。 In the example shown in FIG. 1, the first ferromagnetic layer 14 A and the second ferromagnetic layer 14 B have a rectangular parallelepiped shape with the major axis in the Y-axis direction. It is preferable that the first ferromagnetic layer 14A and the second ferromagnetic layer 14B have a coercive force difference due to the shape anisotropy of the first ferromagnetic layer 14A and the second ferromagnetic layer 14B. The width (length in the X-axis direction) of the first ferromagnetic layer 14A is, for example, about 350 nm. The width (length in the X-axis direction) of the second ferromagnetic layer 14B is, for example, about 2 μm. In the example shown in FIG. 1, the coercive force of the first ferromagnetic layer 14A is larger than the coercive force of the second ferromagnetic layer 14B.

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とを有する。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。 The first reference electrode 15A and the second reference electrode 15B have a function as an electrode for flowing a detection current through the silicon channel layer 12 and a function as an electrode for reading an output by spin. The first reference electrode 15 A is provided on the third protrusion 12 C of the silicon channel layer 12. The second reference electrode 15 B is provided on the fourth protrusion 12 D of the silicon channel layer 12. The first reference electrode 15A and the second reference electrode 15B are made of a conductive material, for example, a non-magnetic metal having a low resistance to Si such as Al.

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、第一トンネル層１３Ａ、第二トンネル層１３Ｂ、第三トンネル層１３Ｃ，第四トンネル層１３Ｄ、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、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層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、第一トンネル層１３Ａ、第二トンネル層１３Ｂ、第三トンネル層１３Ｃ、第四トンネル層１３Ｄ、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。 The oxide film 7 a is formed on the side surface of the silicon channel layer 12. The oxide film 7b includes the silicon channel layer 12, the oxide film 7a, the first tunnel layer 13A, the second tunnel layer 13B, the third tunnel layer 13C, the fourth tunnel layer 13D, the first ferromagnetic layer 14A, the second strong layer. It is formed on the side surfaces of the magnetic layer 14B, the first reference electrode 15A, and the second reference electrode 15B. In addition, on the upper surface of the silicon channel layer 12, the main ferromagnetic portion 12E where the first ferromagnetic layer 14A, the second ferromagnetic layer 14B, the first reference electrode 15A, and the second reference electrode 15B are not provided is oxidized. A film 7b is formed. The oxide film 7b is provided on the main portion 12E of the silicon channel layer 12 between the first tunnel layer 13A and the second tunnel layer 13B. The oxide film 7b includes the silicon channel layer 12, the first tunnel layer 13A, the second tunnel layer 13B, the third tunnel layer 13C, the fourth tunnel layer 13D, the first ferromagnetic layer 14A, the second ferromagnetic layer 14B, It functions as a protective film for the reference electrode 15A and the second reference electrode 15B, and suppresses deterioration of these layers. The oxide film 7b is, for example, a silicon oxide film.

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。 As shown in FIG. 1, a wiring 18A is provided on the first reference electrode 15A and on the oxide film 7b (an inclined side surface of the silicon channel layer 12). Similarly, the wiring 18B is provided on the first ferromagnetic layer 14A and the oxide film 7b. A wiring 18C is provided on the second ferromagnetic layer 14B and the oxide film 7b. A wiring 18D is provided on the second reference electrode 15B and the oxide film 7b. The wirings 18A to 18D are made of a conductive material such as Cu. By providing the wiring on the oxide film 7b, it is possible to suppress the absorption of spin conducted through the silicon channel layer 12 by this wiring. Further, by providing the wiring on the oxide film 7b, it is possible to suppress a current from flowing from the wiring to the silicon channel layer 12, and to improve the spin injection efficiency. In addition, measurement electrode pads E1 to E4 are provided at end portions of the wirings 18A to 18D, respectively. End portions of the wirings 18 A to 18 D and measurement electrode pads E 1 to E 4 are formed on the silicon oxide film 11. The electrode pads E1 to E4 are made of a conductive material such as Au.

図４は、第一トンネル層１３Ａ及び第二トンネル層１３Ｂの断面図である。第一トンネル層１３Ａ及び第二トンネル層１３Ｂの間には結晶格子緩和領域１６が形成されている。第一トンネル層１６Ａは、シリコンチャンネル層１２上に結晶成長しているか、あるいは、シリコンチャンネル層１２上に部分的に結晶成長している。同様に、第三トンネル層１３Ｃ及び第四トンネル層１３Ｄには結晶格子緩和領域１６が形成されている。第三トンネル層１６Ｃは、シリコンチャンネル層１２上に結晶成長しているか、あるいは、シリコンチャンネル層１２上に部分的に結晶成長している。 FIG. 4 is a cross-sectional view of the first tunnel layer 13A and the second tunnel layer 13B. A crystal lattice relaxation region 16 is formed between the first tunnel layer 13A and the second tunnel layer 13B. The first tunnel layer 16 A is crystal-grown on the silicon channel layer 12 or partially crystal-grown on the silicon channel layer 12. Similarly, crystal lattice relaxation regions 16 are formed in the third tunnel layer 13C and the fourth tunnel layer 13D. The third tunnel layer 16 C is crystal-grown on the silicon channel layer 12 or partially crystal-grown on the silicon channel layer 12.

第一トンネル層１３Ａは、アルミニウム、亜鉛、シリコン、チタン、あるいは、マグネシウムを含むスピネル構造のトンネル層が適している。これらの材料が結晶化した場合にはコヒーレントトンネル効果によって高いスピン分極率を持ったトンネル層として機能する。
元素表記が、元素記号の場合と仮名表記の場合とで混在しているようです。統一した方が好ましいと思います。 As the first tunnel layer 13A, a tunnel layer having a spinel structure containing aluminum, zinc, silicon, titanium, or magnesium is suitable. When these materials are crystallized, they function as a tunnel layer having a high spin polarizability by the coherent tunnel effect.
It seems that the element notation is mixed with the element symbol and the kana notation. I think that it is better to unify.

第二トンネル層１３Ｂは、ＮａＣｌ構造からなるトンネル層が適している。特に、酸化マグネシウムの場合には高いスピン分極率が得られることから、スピネル構造のトンネル層よりも低抵抗で、高出力になる。 As the second tunnel layer 13B, a tunnel layer having a NaCl structure is suitable. In particular, in the case of magnesium oxide, since a high spin polarizability is obtained, the resistance is lower and the output is higher than that of a tunnel layer having a spinel structure.

以下、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層１３Ｂの間に形成されている結晶格子緩和領域１６について説明する。前述したように、結晶格子緩和領域１６は、ＭＢＥ法によって、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層１３Ｂの界面で非結晶質の構造とする。または、スパッタ法とアニールを用いた方法によって、第一トンネル１３Ａと第二トンネル層１３Ｂの界面で結晶化したまま混ざり合った構造として形成される。 Hereinafter, the crystal lattice relaxation region 16 formed between the first tunnel layer 13A and the second tunnel layer 13B will be described. As described above, the crystal lattice relaxation region 16 has an amorphous structure at the interface between the first tunnel layer 13A and the second tunnel layer 13B by the MBE method. Alternatively, a mixed structure is formed while being crystallized at the interface between the first tunnel 13A and the second tunnel layer 13B by a method using sputtering and annealing.

結晶格子緩和領域１６は、非結晶質構造であることが好ましい。この場合、お互いの結晶格子の違いに伴う格子歪みの影響を受けないため、高いスピン分極率が得られる。また、結晶格子緩和領域１６は、ＭＢＥ法で形成することが好ましい。ＭＢＥ法であることによって非結晶質構造が形成されやすく、さらに、非結晶質構造の膜厚が薄い状態で、第二トンネル層１３Ｂの結晶化が容易に形成できる。 The crystal lattice relaxation region 16 preferably has an amorphous structure. In this case, a high spin polarizability can be obtained because it is not affected by the lattice distortion caused by the difference between the crystal lattices. The crystal lattice relaxation region 16 is preferably formed by the MBE method. By using the MBE method, an amorphous structure can be easily formed, and further, the second tunnel layer 13B can be easily crystallized with a thin film thickness of the amorphous structure.

また、結晶格子緩和領域１６は、別々の構造の層が結晶化したまま混ざり合った構造でも良い。この場合、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層１３Ｂは結晶化しているため、スピンはコヒーレントトンネルがしやすい。しかしながら、結晶格子緩和領域においてスピンが強く緩和してしまう。また、結晶格子緩和領域が別々の構造の層が結晶化したまま混ざり合った構造の場合の形成方法は、スパッタ法とアニールを併用した作成方法が好ましい。これはアニールを実施することによって結晶化が進むため、結晶格子緩和領域まで結晶化が進むという利点がある。 The crystal lattice relaxation region 16 may have a structure in which layers having different structures are mixed while being crystallized. In this case, since the first tunnel layer 13A and the second tunnel layer 13B are crystallized, the spin is likely to be a coherent tunnel. However, the spin is strongly relaxed in the crystal lattice relaxation region. In addition, the formation method in the case where the crystal lattice relaxation region has a structure in which layers having different structures are mixed while being crystallized is preferably a preparation method using both sputtering and annealing. This has the advantage that crystallization proceeds to the crystal lattice relaxation region because crystallization proceeds by performing annealing.

第一強磁性層１４Ａ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。第一強磁性層１４Ａの材料が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以上の元素とホウ素（Ｂ）とを含む化合物である場合、第一強磁性層１４Ａは第二トンネル層１３Ｂ上にエピタキシャル成長しやすくなる。 The crystal structure of the first ferromagnetic layer 14A is preferably a body-centered cubic lattice structure (BCC). The material of the first ferromagnetic layer 14A includes a metal selected from the group consisting of Co and Fe, an alloy including one or more elements of the group, or one or more elements selected from the group and boron (B). In the case of a compound, the first ferromagnetic layer 14A is easily epitaxially grown on the second tunnel layer 13B.

さらに、第一強磁性層１４Ａはホイスラー合金であることがより好ましい。ホイスラー合金（またはフルホイスラー合金とも言う）とは、Ｘ_２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物の総称であり、ここで、Ｘは周期表上で、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素である。ＹはＭｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属でありＸと同じ元素種をとることもできる。ＺはIII族からＶ族の典型元素である。ホイスラー合金Ｘ_２ＹＺはＸ・Ｙ・Ｚの規則性から３種類の結晶構造に分けられる。結晶の周期性を利用したＸ線回折等の分析により、３元素の区別ができるＸ≠Ｙ≠Ｚとなる最も規則性の高い構造がＬ２１構造、次に規則性の高いＸ≠Ｙ=Ｚとなる構造がＢ２構造、そして３元素の区別ができないＸ＝Ｙ＝Ｚとなる構造がＡ２構造である。 Furthermore, the first ferromagnetic layer 14A is more preferably a Heusler alloy. Heusler alloy (or full Heusler alloy) is a general term for intermetallic compounds having a chemical composition of X ₂ YZ, where X is a transition of Co, Fe, Ni, or Cu group on the periodic table. It is a metal element or a noble metal element. Y is a transition metal of Mn, V, Cr or Ti group and can take the same element species as X. Z is a typical element from Group III to Group V. Heusler alloy X ₂ YZ is divided into three types of crystal structures based on the regularity of X, Y, and Z. According to the analysis such as X-ray diffraction using the periodicity of the crystal, the most regular structure in which X ≠ Y ≠ Z that can distinguish the three elements is the L21 structure, and the next highest regularity X ≠ Y = Z. Is a B2 structure, and a structure where X = Y = Z is indistinguishable from the three elements is an A2 structure.

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、第二トンネル層１３Ｂ及び第一トンネル層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。 Hereinafter, an example of the operation using the NL (non-local) measurement method of the spin transport device 1 according to the present embodiment will be described. In the NL measurement method, as shown in FIG. 3, the spin transport element 1 detects an external magnetic field B1 in the Y-axis direction, for example. The magnetization direction G1 (Y-axis direction) of the first ferromagnetic layer 14A is fixed in the same direction as the magnetization direction G2 (Y-axis direction) of the second ferromagnetic layer 14B. Further, as shown in FIG. 1, by connecting the electrode pads E1 and E3 to an alternating current source 70, a detection current is passed through the first ferromagnetic layer 14A. When a detection current flows from the first ferromagnetic layer 14A, which is a ferromagnetic material, to the non-magnetic silicon channel layer 12 through the second tunnel layer 13B and the first tunnel layer 13A, the first ferromagnetic layer Electrons having a spin corresponding to the magnetization direction G 1 of 14 A are injected into the silicon channel layer 12. The injected spin diffuses toward the second ferromagnetic layer 14B. As described above, a structure in which the current and spin current flowing in the silicon channel layer 12 flow mainly in a predetermined axis (X-axis) direction can be obtained. Then, due to the interaction between the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 14A, which is changed by the external magnetic field B1, that is, the spin of electrons and the spin of electrons in the portion of the silicon channel layer 12 in contact with the second ferromagnetic layer 14B, An output is generated between the silicon channel layer 12 and the second ferromagnetic layer 14B. This output is detected by an output measuring device 80 connected to the electrode pads E2 and E4.

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から第一トンネル層１３Ａ及び第二トンネル層１３Ｂ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。 Next, an example of the operation using the NL-Hane measurement method of the spin transport element 1 according to the present embodiment will be described. The NL-Hanle measurement method uses the Hanle effect. The Hanle effect means that when an external magnetic field is applied from a direction perpendicular to the direction of the spin when the spin injected from the ferromagnetic electrode into the channel by the current diffuses and conducts toward the other ferromagnetic electrode, It is a phenomenon that causes Larmor precession. In the NL-Hanle measurement method, as shown in FIG. 3, the spin transport element 1 detects an external magnetic field B2 in the Z-axis direction, for example. The magnetization direction G1 (Y-axis direction) of the first ferromagnetic layer 14A is fixed in the same direction as the magnetization direction G2 (Y-axis direction) of the second ferromagnetic layer 14B. Then, by connecting the first ferromagnetic layer 14A and the first reference electrode 15A to the alternating current source 70, a spin detection current can be passed through the first ferromagnetic layer 14A. When a current flows from the first ferromagnetic layer 14A, which is a ferromagnetic material, to the non-magnetic silicon channel layer 12 through the first tunnel layer 13A and the second tunnel layer 13B, the magnetization of the first ferromagnetic layer 14A. Electrons having a spin in a direction corresponding to the direction G1 are injected into the first convex portion 12A of the silicon channel layer 12. The spin injected into the first convex portion 12A diffuses toward the second ferromagnetic layer 14B through the main portion 12E. In this way, the current and spin current flowing through the silicon channel layer 12 flow mainly in the X-axis direction.

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。 Here, when the external magnetic field B2 is not applied to the silicon channel layer 12, that is, when the external magnetic field is zero, a region of the silicon channel layer 12 between the first ferromagnetic layer 14A and the second ferromagnetic layer 14B is diffused. The direction of the spinning spin does not rotate. Therefore, the spin in the same direction as the magnetization direction G2 of the second ferromagnetic layer 14B set in advance diffuses to the region on the second ferromagnetic layer 14B side in the silicon channel layer 12. Therefore, when the external magnetic field is zero, the output (for example, resistance output or voltage output) is an extreme value. The maximum value or the minimum value can be taken depending on the direction of current or magnetization. The output can be evaluated by an output measuring device 80 such as a voltage measuring device connected to the second ferromagnetic layer 14B and the second reference electrode 15B.

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。 On the other hand, consider the case where an external magnetic field B2 is applied to the silicon channel layer 12. The external magnetic field B2 is perpendicular to the magnetization direction G1 (Y-axis direction in the example of FIG. 3) of the first ferromagnetic layer 14A and the magnetization direction G2 (Y-axis direction in the example of FIG. 3) of the second ferromagnetic layer 14B. Application is performed from any direction (Z-axis direction in the example of FIG. 3). When the external magnetic field B2 is applied, the direction of spin that diffuses and conducts in the silicon channel layer 12 rotates around the axial direction of the external magnetic field B2 (Z-axis direction in the example of FIG. 3) (so-called Hanle effect). The direction of rotation of this spin when diffusing up to the region on the second ferromagnetic layer 14B side in the silicon channel layer 12, and the direction G2 of magnetization of the second ferromagnetic layer 14B set in advance, that is, the direction of spin, Output relative to the interface between the silicon channel layer 12 and the second ferromagnetic layer 14B (for example, resistance output or voltage output). When the external magnetic field B2 is applied, the direction of the spin diffusing in the silicon channel layer 12 rotates, so that the magnetization direction and direction of the second ferromagnetic layer 14B are not aligned. Therefore, the output takes a maximum value when the external magnetic field is zero, and the output is less than the maximum value when the external magnetic field B2 is applied. Further, the output takes a minimum value when the external magnetic field is zero, and the output becomes a minimum value or more when the external magnetic field B2 is applied.

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、例えば磁気センサとして使用できる。 Therefore, in the NL-Hanle measurement method, an output peak appears when the external magnetic field is zero, and the output decreases as the external magnetic field B2 is increased or decreased. That is, since the output changes depending on the presence or absence of the external magnetic field B2, the spin transport element 1 according to this embodiment can be used as a magnetic sensor, for example.

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などに適用できる。 Moreover, it can be set as the magnetic detection apparatus provided with two or more above-mentioned spin transport elements 1. FIG. For example, a plurality of the above-described spin transport elements 1 can be arranged in parallel or stacked to form a magnetic detection device. In this case, the outputs of the spin transport elements 1 can be added up. Such a magnetic detection device can be applied to, for example, a biosensor that detects cancer cells and the like.

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。 The above-described spin injection electrode structure IE and the spin transport element 1 can be used for various spin transport devices such as a magnetic head, a magnetoresistive memory (MRAM), a logic circuit, a nuclear spin memory, and a quantum computer.

また、スピン検出部（第二強磁性層１４Ｂ、第三トンネル層１３Ｃ、第四トンネル層１３Ｄ、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。 Further, the configuration of the spin detection unit (the second ferromagnetic layer 14B, the third tunnel layer 13C, the fourth tunnel layer 13D, and the second convex portion 12B of the silicon channel layer 12) is not limited to the above embodiment. You may detect a spin by sending an electric current.

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。また、上記はシリコンチャンネル層を例に出したが、シリコンをゲルマニウムやガリウム砒素に置き換えた例でもほぼ同様な結果が得られ、材料もシリコンに限定されるものではない。同様に、シリコンとゲルマニウムの化合物であってもよい。 Hereinafter, examples will be described, but the present invention is not limited to the following examples. In addition, although the silicon channel layer has been described above as an example, substantially the same result can be obtained in an example in which silicon is replaced with germanium or gallium arsenide, and the material is not limited to silicon. Similarly, a compound of silicon and germanium may be used.

（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リン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５．０×１０^１９ｃｍ^−３となるようにした。 Example 1
First, an SOI substrate including a substrate, an insulating film, and a silicon film was prepared. A silicon substrate was used as the substrate, a 200 nm silicon oxide layer was used as the insulating film, and the silicon film was 100 nm. Phosphorus ions for imparting conductivity to the silicon film were implanted. Thereafter, the impurities were diffused by annealing at 900 ° C. to adjust the electron concentration of the silicon film. At this time, the average electron concentration of the entire silicon film was set to 5.0 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ .

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。 Next, deposits, organic substances, and natural oxide films on the surface of the SOI substrate were removed using RCA cleaning. Thereafter, the surface of the SOI substrate was terminated with hydrogen using an HF cleaning solution. Subsequently, the SOI substrate was carried into a molecular beam epitaxy (MBE) apparatus. The degree of base vacuum (the degree of vacuum in the apparatus before the actual lamination process) was set to 2.0 × 10 ⁻⁹ Torr or less. Flushing treatment was performed by heating the SOI substrate. As a result, hydrogen on the surface of the silicon film was released to form a clean surface.

続いて、ＭＢＥ法を用いて、シリコン膜上に第一トンネル層を形成した。まず、酸化アルミニウムを結晶化させて第一トンネル層１３Ａを形成し、次に酸化マグネシウムを結晶化させて第二トンネル層１３Ｂを形成した。酸化マグネシウム形成初期にはＲＨＥＥＤパターンが消失し、非結晶質の層が形成されたことを示している。その後、酸化マグネシウムの形成を続け、ＲＨＥＥＤパターンが得られることから形成終期には結晶化が進んでいることを確認した。その後、強磁性層として鉄膜、及び保護膜として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、強磁性層としての鉄膜の酸化による特性劣化を抑制するための保護膜である。 Subsequently, a first tunnel layer was formed on the silicon film using the MBE method. First, aluminum oxide was crystallized to form the first tunnel layer 13A, and then magnesium oxide was crystallized to form the second tunnel layer 13B. In the initial stage of magnesium oxide formation, the RHEED pattern disappeared, indicating that an amorphous layer was formed. Thereafter, the formation of magnesium oxide was continued, and an RHEED pattern was obtained, so that it was confirmed that crystallization progressed at the end of formation. Thereafter, an iron film as a ferromagnetic layer and a titanium film as a protective film were formed in this order to obtain a laminate. The degree of vacuum during film formation was 5 × 10 ⁻⁸ Torr or less. The titanium film is a protective film for suppressing characteristic deterioration due to oxidation of the iron film as the ferromagnetic layer.

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であった。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。 Next, after cleaning the surface of the laminate, Ta alignment marks were formed on the substrate by photolithography and lift-off. Subsequently, the silicon film was patterned by anisotropic wet etching using a mask. As a result, a silicon channel layer 12 having an inclined portion on the side surface was obtained. At this time, the size of the silicon channel layer 12 was 23 μm × 300 μm. Further, the side surface of the obtained silicon channel layer 12 was oxidized to form a silicon oxide film (oxide film 7a).

次いで、フォトリソグラフィ法を用いて、チタン膜、鉄膜、及びシリコンチャンネル層１２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。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をそれぞれ形成した。 Next, the first ferromagnetic layer 14A and the second ferromagnetic layer 14B were formed by patterning the titanium film, the iron film, and the silicon channel layer 12 using a photolithography method. An Al film was formed on one end side and the other end side of the exposed silicon channel layer 12 to form a first reference electrode 15A and a second reference electrode 15B, respectively.

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。 Further, a portion of the surface of the silicon channel layer 12 where the first ferromagnetic layer 14A, the second ferromagnetic layer 14B, the first reference electrode 15A, and the second reference electrode 15B are not formed by using ion milling and etching. Then, the silicon channel layer 12 was dug to a depth of 20 nm from the surface of the silicon channel layer 12. As a result, the silicon channel layer 12 has a structure including the first convex portion 12A, the second convex portion 12B, the third convex portion 12C, the fourth convex portion 12D, and the main portion 12E. The first convex portion 12A, the second convex portion 12B, the third convex portion 12C, and the fourth convex portion 12D are arranged in this order at predetermined intervals in the X-axis direction and extend so as to protrude from the main portion 12E. It is a part that exists. The film thickness H1 of the first convex portion 12A, the second convex portion 12B, the third convex portion 12C, and the fourth convex portion 12D was 10 nm. With such a structure, the surface damage formed when ions for imparting conductivity were implanted into the silicon film to be the silicon channel layer 12 was removed.

さらに、酸化膜７ａ、第一トンネル層１３Ａ、第二トンネル層１３Ｂ、第三トンネル層１３Ｃ、第四トンネル層１３Ｄ、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。 Furthermore, the oxide film 7a, the first tunnel layer 13A, the second tunnel layer 13B, the third tunnel layer 13C, the fourth tunnel layer 13D, the first ferromagnetic layer 14A, the second ferromagnetic layer 14B, the first reference electrode 15A and Of the side surface of the second reference electrode 15B and the upper surface of the silicon channel layer 12, the first ferromagnetic layer 14A, the second ferromagnetic layer 14B, the first reference electrode 15A, and the second reference electrode 15B are not formed. A silicon oxide film (oxide film 7b) was formed on the portion 12E.

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。このようにして、図１〜４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。 Next, wirings 18A to 18D were formed on the first ferromagnetic layer 14A, the second ferromagnetic layer 14B, the first reference electrode 15A, and the second reference electrode 15B, respectively. As the wirings 18A to 18D, a stacked structure of Ta (thickness 10 nm), Cu (thickness 50 nm), and Ta (thickness 10 nm) was used. Furthermore, electrode pads E1 to E4 were formed at the ends of the wirings 18A to 18D, respectively. A laminated structure of Cr (thickness 50 nm) and Au (thickness 150 nm) was used as the electrode pads E1 to E4. Thus, the spin transport device of Example 1 having the same configuration as the spin transport device 1 shown in FIGS.

（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、測定はいずれも室温にて行った。 (Result of NL measurement)
In the NL measurement method, in the spin transport device fabricated in Example 1, the magnetization direction G1 of the first ferromagnetic layer 14A and the magnetization direction G2 of the second ferromagnetic layer 14B are the same as the magnetization direction of the external magnetic field B1 (FIG. 3). In the Y-axis direction). An external magnetic field B1 was applied to the spin transport element from a direction (Y-axis direction) parallel to the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 14A and the second ferromagnetic layer 14B. By flowing a detection current from the alternating current source 70 to the first ferromagnetic layer 14A, spin was injected from the first ferromagnetic layer 14A to the silicon channel layer 12. The output based on the magnetization change by the external magnetic field B1 was measured by the output measuring device 80. At this time, all measurements were performed at room temperature.

図５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５の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を示し、図５の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。図５のＦ１及びＦ２に示されるように、スピン伝導素子では、約１２．８μＶの電圧出力であった。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between the applied magnetic field and the voltage output in the NL measurement method. F1 in FIG. 5 shows the case where the external magnetic field B1 is changed from the minus side to the plus side, and F2 in FIG. 5 shows the case where the external magnetic field B1 is changed from the plus side to the minus side. As shown in F1 and F2 in FIG. 5, the spin transport device had a voltage output of about 12.8 μV.

（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６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６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測定結果である。 (Result of NL-Hanle measurement)
In the NL-Hane measurement method, in the spin transport device manufactured in Example 1, the direction of the applied external magnetic field B2 (Z-axis direction shown in FIG. 3) is the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 14A (Y shown in FIG. 3). The axial direction was perpendicular to G1 and the magnetization direction (Y-axis direction shown in FIG. 3) G2 of the second ferromagnetic layer 14B. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the applied magnetic field and the voltage output in the NL-Hanle measurement method. FIG. 6 shows the measurement results when the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 14A is fixed parallel to the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 14B.

図６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。したがって、図６の測定結果はスピン伝導によって生じた信号である。 As can be seen from the measurement result of FIG. 6, it can be seen that the spin conducted through the silicon channel layer is rotated and attenuated by the application of the external magnetic field B2. Therefore, the measurement result of FIG. 6 is a signal generated by spin conduction.

（膜の解析）
トンネル層の評価は、断面ＴＥＭ（ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｏｒｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）、ＸＲＤ（ＸＲａｙＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）、および、ＥＤＸ（ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ−Ｒaｙａｎａｌｙｓｉｓ）によって解析した。断面ＴＥＭの結果からトンネル層の厚さは２．２ｎｍであった。また、トンネル層内に非結晶質の層が形成されており、非結晶質の結晶格子緩和領域が形成されていた。 (Membrane analysis)
The evaluation of the tunnel layer was analyzed by cross-section TEM (Transmission Electron Microscopy), XRD (X Ray Diffraction), and EDX (Energy Dispersive X-Ray analysis). From the result of the cross-sectional TEM, the thickness of the tunnel layer was 2.2 nm. Further, an amorphous layer is formed in the tunnel layer, and an amorphous crystal lattice relaxation region is formed.

また、断面ＴＥＭの写真からトンネル層部分を切り出して、フリーエ解析を行い、ブラッグ点を解析することで格子定数を見積もった。トンネル層がシリコンチャンネル層と接する部分、トンネル層が強磁性層と接する部分、シリコンチャンネル層に接する部分と強磁性層に接する部分の中間部分をサンプリングした。その結果、トンネル層がシリコンチャンネル層と接する部分の格子定数は、７．８Åであった。この格子定数はスピネル構造のγ型アルミニウム酸化物であることを示している。さらに、トンネル層が強磁性層と接する部分の格子定数は、４．２Åであった。この格子定数はＮａＣｌ構造のマグネシウムを主成分とする酸化物であることを示している。このことから、第一トンネル層１３Ａは、スピネル構造の酸化アルミニウムであり、第二トンネル層１３Ｂは、ＮａＣｌ構造の酸化マグネシウムであることがわかる。 Further, the tunnel layer portion was cut out from the photograph of the cross-sectional TEM, subjected to free air analysis, and the lattice constant was estimated by analyzing the Bragg point. The portion where the tunnel layer was in contact with the silicon channel layer, the portion where the tunnel layer was in contact with the ferromagnetic layer, and the intermediate portion between the portion in contact with the silicon channel layer and the portion in contact with the ferromagnetic layer were sampled. As a result, the lattice constant of the portion where the tunnel layer was in contact with the silicon channel layer was 7.8 mm. This lattice constant indicates that it is a γ-type aluminum oxide having a spinel structure. Furthermore, the lattice constant of the portion where the tunnel layer was in contact with the ferromagnetic layer was 4.2 Å. This lattice constant indicates that the oxide is composed mainly of magnesium having a NaCl structure. From this, it can be seen that the first tunnel layer 13A is spinel-structured aluminum oxide, and the second tunnel layer 13B is NaCl-structured magnesium oxide.

さらに、ＥＤＸにてマグネシウム、アルミニウム、酸素、鉄、及び、シリコンの分析を行った。図７に示したように、アルミニウムのピークとマグネシウムのピークが別々の位置にあり、お互いのピークが重なる位置でそれぞれのピーク形状に肩をもった形状が生じていることから、結晶格子緩和領域ではアルミニウムとマグネシウムがそれぞれ含まれていることを示している。 Furthermore, magnesium, aluminum, oxygen, iron, and silicon were analyzed by EDX. As shown in FIG. 7, since the peak of aluminum and the peak of magnesium are at different positions, and each peak shape has a shoulder shape at the position where the peaks overlap, the crystal lattice relaxation region Shows that aluminum and magnesium are contained respectively.

（実施例２）
実施例１と同様に素子作成を行った。但し、第二トンネル層１３Ｂとして、マグネシウムとアルミニウムからなる非磁性スピネル層を形成した。トンネル層の評価は断面ＴＥＭ及びＥＤＸにて実施した。断面ＴＥＭの結果からトンネル層の厚さは２．０ｎｍであった。また、第一トンネル層１３Ａは、スピネル構造の酸化アルミニウムからなり、第二トンネル層１３Ｂは、スピネル構造のマグネシウムとアルミニウムの酸化物であることを確認した。さらに、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層１３Ｂの間にはアモルファス構造が混ざった結晶格子緩和領域１６が形成されていることを確認した。 (Example 2)
An element was prepared in the same manner as in Example 1. However, a nonmagnetic spinel layer made of magnesium and aluminum was formed as the second tunnel layer 13B. The tunnel layer was evaluated by cross-section TEM and EDX. From the result of the cross-sectional TEM, the thickness of the tunnel layer was 2.0 nm. Further, it was confirmed that the first tunnel layer 13A was made of aluminum oxide having a spinel structure, and the second tunnel layer 13B was an oxide of magnesium and aluminum having a spinel structure. Further, it was confirmed that a crystal lattice relaxation region 16 mixed with an amorphous structure was formed between the first tunnel layer 13A and the second tunnel layer 13B.

（実施例３）
実施例１と同様に素子作成を行った。但し、第二トンネル層１３Ｂとして、亜鉛とアルミニウムからなる非磁性スピネル層を形成した。トンネル層の評価は断面ＴＥＭ及びＥＤＸにて実施した。断面ＴＥＭの結果からトンネル層の厚さは２．０ｎｍであった。また、第一トンネル層１３Ａはスピネル構造の酸化アルミニウムからなり、第二トンネル層１３Ｂはスピネル構造の亜鉛とアルミニウムの酸化物であることを確認した。さらに、第一トンネル層１３Ａと第二トンネル層１３Ｂの間にはアモルファス構造が混ざった結晶格子緩和領域１６が形成されていることを確認した。 (Example 3)
An element was prepared in the same manner as in Example 1. However, a nonmagnetic spinel layer made of zinc and aluminum was formed as the second tunnel layer 13B. The tunnel layer was evaluated by cross-section TEM and EDX. From the result of the cross-sectional TEM, the thickness of the tunnel layer was 2.0 nm. Further, it was confirmed that the first tunnel layer 13A was made of aluminum oxide having a spinel structure, and the second tunnel layer 13B was an oxide of zinc and aluminum having a spinel structure. Further, it was confirmed that a crystal lattice relaxation region 16 mixed with an amorphous structure was formed between the first tunnel layer 13A and the second tunnel layer 13B.

（比較例１）
実施例１と同様に素子作成を行った。但し、第二トンネル層１３Ｂはスパッタ法を用いて形成した。さらに、強磁性層にはコバルト、鉄、ホウ素からなる合金を用いた。積層膜を形成後、２３０℃で３時間のアニールを実施した。 (Comparative Example 1)
An element was prepared in the same manner as in Example 1. However, the second tunnel layer 13B was formed by sputtering. Further, an alloy composed of cobalt, iron, and boron was used for the ferromagnetic layer. After forming the laminated film, annealing was performed at 230 ° C. for 3 hours.

トンネル層の評価は断面ＴＥＭにて実施した。断面ＴＥＭの結果からトンネル層の厚さは２．２ｎｍであった。また、断面ＴＥＭから第二トンネル層１３Ｂは、結晶化が確認されず、アモルファス構造であった。 The tunnel layer was evaluated by a cross-sectional TEM. From the result of the cross-sectional TEM, the thickness of the tunnel layer was 2.2 nm. Further, from the cross-section TEM, the second tunnel layer 13B was not confirmed to be crystallized and had an amorphous structure.

（比較例２）
実施例１と同様に素子作成を行った。但し、第一トンネル層１３Ａは形成せず、酸化マグネシウムからなる第二トンネル層１３ＢのみをＭＢＥ法にて形成した。 (Comparative Example 2)
An element was prepared in the same manner as in Example 1. However, the first tunnel layer 13A was not formed, and only the second tunnel layer 13B made of magnesium oxide was formed by the MBE method.

トンネル層の評価は断面ＴＥＭにて実施した。断面ＴＥＭの結果からトンネル層の厚さは２．０ｎｍであった。フリーエ解析を行って、ブラッグ点を解析することで格子定数を見積もった。格子定数が４．２Åであった。この格子定数はＮａＣｌ構造の酸化マグネシウムであることがわかる。 The tunnel layer was evaluated by a cross-sectional TEM. From the result of the cross-sectional TEM, the thickness of the tunnel layer was 2.0 nm. The lattice constant was estimated by analyzing the Bragg point by performing the Freee analysis. The lattice constant was 4.2 Å. It can be seen that this lattice constant is a magnesium oxide having a NaCl structure.

（比較例３）
実施例１と同様に素子作成を行った。但し、第二トンネル層１３Ｂは酸化タンタルとし、ＭＢＥ法によって形成した。 (Comparative Example 3)
An element was prepared in the same manner as in Example 1. However, the second tunnel layer 13B was made of tantalum oxide and formed by the MBE method.

トンネル層の評価は断面ＴＥＭにて実施した。断面ＴＥＭの結果からトンネル層の厚さは２．５ｎｍであった。また、断面ＴＥＭから第一トンネル層１３Ａの結晶化は観測されたが、第二トンネル層１３Ｂは非結晶質であった。 The tunnel layer was evaluated by a cross-sectional TEM. From the result of the cross-sectional TEM, the thickness of the tunnel layer was 2.5 nm. Further, crystallization of the first tunnel layer 13A was observed from the cross-section TEM, but the second tunnel layer 13B was amorphous.

このようにして得られたスピン伝導素子について、ＮＬ測定法でスピン出力を測定した。
結果を表１に示す。 The spin output of the thus obtained spin transport device was measured by the NL measurement method.
The results are shown in Table 1.

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…第一トンネル層、１３Ｂ…第二トンネル層、１４Ａ…第一強磁性層、１４Ｂ…第二強磁性層、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。 IE ... Spin injection electrode structure, 1 ... Spin transport element, 10 ... Substrate, 11 ... Silicon oxide film, 12 ... Silicon channel layer, 13A ... First tunnel layer, 13B ... Second tunnel layer, 14A ... First ferromagnetic layer , 14B ... second ferromagnetic layer, 15A ... first reference electrode, 15B ... second reference electrode, 70 ... alternating current source, 80 ... output measuring instrument.

Claims

A semiconductor channel layer;
A first tunnel layer provided on the semiconductor channel layer;
A second tunnel layer provided on the first tunnel layer;
A ferromagnetic layer provided on the second tunnel layer,
A spin injection electrode structure, wherein the first tunnel layer and the second tunnel layer have different lattice constants, and a crystal lattice buffer region is provided between the first tunnel layer and the second tunnel layer .

The spin injection electrode structure according to claim 1 , wherein the crystal lattice buffer region is amorphous.

The spin injection electrode according to any one of claims 1 to 2 , wherein the crystal lattice buffer region is a constituent element including a part or all of constituent elements of the first tunnel layer and the second tunnel layer. Construction.

The spin according to any one of claims 1 to 3, wherein the first tunnel layer and the second tunnel layer are made of an oxide containing any element of Al, Mg, Si, Zn, and Ti. Injection electrode structure.

The spin injection electrode structure according to any one of claims 1 to 4 , wherein the first tunnel layer has a spinel structure.

Before Stories second tunnel layer, a NaCl structure, the spin injection electrode structure according to any one of claims 1-4.

Spin transport device having a spin injection electrode structure according to any one of claims 1-6.