JP6534462B2 - Tunnel layer - Google Patents
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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, techniques for accumulating spin in a channel using a semiconductor are known. The spin diffusion length in semiconductor-based channels is much longer than the spin diffusion length in metal-based channels. For example, the following non-patent
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。最近上記非特許文献5において、室温でのシリコンにおけるスピンの伝導現象が観測されている。しかしながら、その出力は、十分ではない。室温での高出力化が困難な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。このように、シリコンに限らず、室温での半導体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。
By the way, for the application of spin injection / conduction / detection in silicon, it is desired to obtain sufficient output characteristics at room temperature. In
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としては特許文献1に記載されている。特許文献1によると、シリコン上に第一非晶質酸化マグネシウムが形成されることによって、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し、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が形成されることによって、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、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。
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、従来よりも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 problems, and to provide a spin injection electrode structure and a spin conduction device that enable efficient injection of spins in a semiconductor channel layer at room temperature than before. With the goal.
上記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トンネル層と、トンネル層上に設けられた強磁性層とを備え、半導体チャンネル層に接するトンネル層の格子定数と、強磁性層に接するトンネル層の格子定数が異なることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the spin injection electrode structure of the present invention comprises a semiconductor channel layer, a tunnel layer provided on the semiconductor channel layer, and a ferromagnetic layer provided on the tunnel layer, The lattice constant of the tunnel layer in contact with the layer is different from the lattice constant of the tunnel layer in contact with the ferromagnetic layer.
トンネル層はトンネル層下部領域とトンネル層上部領域を有する構造である。トンネル層下部領域とトンネル層上部領域の材料の組成は連続的に変化しており、結晶構造の基本構造は変化しない。すなわち、トンネル層の格子定数は、半導体チャンネル層に接する側から強磁性層に接する側に連続的に変化している。また、前記二つの領域の境目は明確ではない。 The tunnel layer is a structure having a tunnel layer lower region and a tunnel layer upper region. The composition of the material in the lower region of the tunnel layer and the upper region of the tunnel layer continuously change, and the basic structure of the crystal structure does not change. That is, the lattice constant of the tunnel layer continuously changes from the side in contact with the semiconductor channel layer to the side in contact with the ferromagnetic layer. Also, the boundaries between the two areas are not clear.
上記のようなトンネル層を形成するためにトンネル層の材料は、単一の結晶構造である材料で構成される。一般的に、酸化物は酸素の欠陥や構成元素の一部の置換を生じても同じ結晶構造の系を保持することができる。よって、トンネル層内で元素の構成を変化させることによって、半導体チャンネル層とトンネル層の界面、及び、強磁性層とトンネル層の界面の両方の歪が最小限に抑えられたトンネル層が形成できる。 In order to form a tunnel layer as described above, the material of the tunnel layer is composed of a material that is a single crystal structure. In general, the oxide can maintain a system of the same crystal structure even if oxygen defects or partial substitution of constituent elements occur. Therefore, by changing the composition of elements in the tunnel layer, it is possible to form a tunnel layer in which the strain at both the interface of the semiconductor channel layer and the tunnel layer and at the interface of the ferromagnetic layer and the tunnel layer is minimized. .
また、前記トンネル層は、スピネル構造であることが高出力化に好ましい。スピネル構造は、AB2O4の組成比を基本構造として、Aサイトの元素の量や種類が変化することによって、スピネル構造を崩すことなく連続的に格子定数を変化することができる。特に、半導体チャンネル層がシリコンの場合には、スピネル構造であるトンネル層が最も好ましい。 The tunnel layer preferably has a spinel structure for high output. Spinel structure, the composition ratio of AB 2 O 4 as a basic structure, by the amount and type of A site element is changed, it is possible to vary continuously the lattice constant without breaking a spinel structure. In particular, when the semiconductor channel layer is silicon, a tunnel layer having a spinel structure is most preferable.
また、前記トンネル層は、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非磁性スピネル層であり、膜厚は、0.6nm以上2.2nm以下であることが好適である。前記トンネル層の膜厚が2.2nm以下である場合、非磁性スピネル層と合わせた場合の膜厚が薄く積層膜の抵抗値が小さくなるため、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、スピンの注入が好適にできる。前記トンネル層の膜厚が2.2nmを超えると、スピン出力の増大が抑制され、界面抵抗率の上昇によるノイズ増加が生じるために高い信号比を得ることができない。また、前記トンネル層の膜厚が0.6nm以上である場合、半導体チャンネル層上に均一なトンネル層が成膜できる。なお、前記トンネル層の膜厚が0.6nm未満の場合、膜として形成されず、島状に層が形成されるためトンネル層としての機能を果たさない。 The tunnel layer is a nonmagnetic spinel layer composed of an oxide containing any element of Al, Mg, Si, Zn, and Ti, and the film thickness is 0.6 nm or more and 2.2 nm or less. Is preferred. When the film thickness of the tunnel layer is 2.2 nm or less, the film thickness when combined with the nonmagnetic spinel layer is small and the resistance value of the laminated film is small, so the interface resistivity is low with respect to the obtained spin output. Since the noise can be suppressed, spin injection can be made preferable. When the film thickness of the tunnel layer exceeds 2.2 nm, an increase in spin output is suppressed, and an increase in noise due to an increase in interface resistivity can not be obtained to obtain a high signal ratio. When the film thickness of the tunnel layer is 0.6 nm or more, a uniform tunnel layer can be formed on the semiconductor channel layer. When the film thickness of the tunnel layer is less than 0.6 nm, it is not formed as a film, and a layer is formed in an island shape, so that it does not function as a tunnel layer.
半導体チャンネル層は、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、あるいは、シリコンとゲルマニウムの化合物の何れかの材料である。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 silicon, germanium, gallium arsenide, or a compound of silicon and germanium. These materials have long spin diffusion lengths and high spin resistance, so high power can be obtained.
トンネル層の半導体チャンネル層に接する側すなわちトンネル層下部領域は、アルミニウムを主成分とする酸化膜であることが好ましい。アルミニウムを主成分とする酸化膜の場合には、半導体チャンネル層と格子定数が近いため、半導体チャンネル層とトンネル層の界面におけるスピン散乱を抑制することができる。なお、本願において、主成分とは、組成元素に含まれる全ての陽イオン元素の中で、2/3以上の陽イオン元素を含むことを意味する。 The side of the tunnel layer in contact with the semiconductor channel layer, that is, the lower region of the tunnel layer is preferably an oxide film containing aluminum as a main component. In the case of an oxide film containing aluminum as a main component, since the lattice constant is close to that of the semiconductor channel layer, spin scattering at the interface between the semiconductor channel layer and the tunnel layer can be suppressed. In the present application, the term "main component" means that 2/3 or more of the cation elements are contained among all the cation elements contained in the composition elements.
トンネル層の強磁性層に接する側すなわちトンネル層上部領域は、アルミニウムを主成分とし、マグネシウム、あるいは、亜鉛の少なくともいずれかを含む酸化膜であることが好ましい。このような酸化膜は、鉄などに代表される強磁性層と格子定数が近いため、強磁性層とトンネル層の界面におけるスピン散乱を抑制することができる。 The side in contact with the ferromagnetic layer of the tunnel layer, that is, the upper region of the tunnel layer, is preferably an oxide film containing aluminum as a main component and at least one of magnesium and zinc. Such an oxide film has a lattice constant close to that of a ferromagnetic layer typified by iron or the like, so that spin scattering at the interface between the ferromagnetic layer and the tunnel layer can be suppressed.
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。第一のスピン注入電極構造と第二のスピン注入電極構造を半導体チャンネル層上に設置することで、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ことが出来る。 Providing the spin injection electrode structure described above in a first portion of the semiconductor channel layer, and further forming a second tunnel layer provided on the second portion of the semiconductor channel layer and a second ferromagnetic layer provided on the second tunnel layer It is preferable that it is a spin transport element provided with a layer. By providing the first spin injection electrode structure and the second spin injection electrode structure on the semiconductor channel layer, it is possible to detect spins injected from the spin injection electrode structure with another spin injection electrode structure. By this, it can function as a magnetic sensor, Spin-MOSFET, or a spin conduction 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、非磁性スピネル構造であ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 nonmagnetic spinel tunnel layer.
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。 The ferromagnetic layer also contains a metal selected from the group consisting of Co, Fe and Ni, an alloy containing one or more elements of the group, or one or more elements selected from the group and boron (B). It is preferred that it is a compound. Since these materials are ferromagnetic materials with large spin polarization, it is possible to preferably realize the function as a spin injection electrode.
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、X2YZ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、Co2FeSiやCo2MnSiなどが挙げられる。
Furthermore, the ferromagnetic layer is more preferably a Heusler alloy. The ferromagnetic layer contains an intermetallic compound having a chemical composition of X 2 YZ, X is a transition metal element or noble metal element of Co, Fe, Ni or Cu group on the periodic table, Y is Mn, It is a transition metal of V, Cr or Ti group and can also take an element species of X, and Z is a typical element of Group III to V.
For example, Co 2 FeSi, Co 2 MnSi and the like can be mentioned.
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を得られる。 Further, it is preferable to further include an antiferromagnetic layer formed on the ferromagnetic layer, and the antiferromagnetic layer fixes the magnetization direction of the ferromagnetic layer. Exchange coupling between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer makes it possible to impart unidirectional anisotropy in the magnetization direction of the ferromagnetic layer. In this case, a ferromagnetic layer having a higher coercivity in one direction can be obtained than in the case where 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。 In addition, it is preferable that a difference in coercivity between the first portion of the spin injection electrode structure provided in the semiconductor channel layer and the ferromagnetic layer of the second portion be provided by shape anisotropy. In this case, the antiferromagnetic layer for providing a difference in coercivity can be omitted.
一般に、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。 In general, ions for imparting conductivity are implanted in the semiconductor channel layer. The surface of the semiconductor channel layer may be damaged due to the ion implantation. Therefore, the semiconductor channel layer preferably has a recess between the first portion and the second portion, 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、上記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デバイスを提供できる。 In addition, the spin conduction device preferably has the above-described spin injection electrode structure, and can provide a spin conduction device capable of effectively injecting 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る電極構造である。これによって、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注入電極構造、およびこれを用いたスピン伝導素子を提供できる。 According to the present invention, there is provided an electrode structure capable of simultaneously suppressing spin scattering at the interface of the tunnel layer and the ferromagnetic layer while suppressing spin scattering at the interface of the semiconductor channel and the tunnel layer more than the conventional tunnel layer. As a result, it is possible to provide a spin injection electrode structure that enables efficient injection of spins in the semiconductor channel layer at room temperature, and a spin transport device using the same.
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, preferred embodiments 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 a spin transport device according to the present embodiment. FIG. 2A is a top view of the spin transport element according to the present embodiment. FIG.2 (b) is an enlarged view of area | region B shown to Fig.2 (a). FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III of 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 the semiconductor, the
図4に示すように、第一トンネル層13Aは第一トンネル層下部領域16Aと第一トンネル層上部領域16Bからなる構造である。但し、第一トンネル層下部領域16Aと第一トンネル層上部領域16Bの材料の組成は連続的に変化しており、前記二つの領域の境目は明確ではない。同様に、第二トンネル層13Bは第二トンネル層下部領域16Cと第二トンネル層上部領域16Dからなる構造である。但し、第二トンネル層下部領域16Cと第二トンネル層上部領域16Dの材料の組成は連続的に変化しており、前記二つの領域の境目は明確ではない。(図4は、連続的に変化していることを説明する図としては如何かと。ハッチングを工夫してみては如何でしょう。)
As shown in FIG. 4, the first tunnel layer 13A has a structure including a first tunnel layer
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。また、シリコンチャンネル層12はゲルマニウム、ガリウム砒素、あるいは、シリコンとゲルマニウムの化合物でもほぼ同様の結果が得られる。
For example, an SOI (Silicon On Insulator) substrate can be used as the
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は主としてシリコンからなり(翻訳を考えれば入れておいた方が良いと思います。)、シリコンチャンネル層12には必要に応じて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、第一トンネル層13Aまたは第二トンネル層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がある。
The
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
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
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 (the 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. The 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 length of the first convex portion 12A in the X-axis direction and the central portion of the length 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
第一トンネル層13Aおよび第二トンネル層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、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。
The first tunnel layer 13A and the second tunnel layer 13B efficiently connect the spin polarization of the ferromagnetic material (the first ferromagnetic layer 14A and the second ferromagnetic layer 14B) and the spin polarization of the
第一トンネル層13Aおよび第二トンネル層13Bは、シリコンチャンネル層12の例えば(100)面上に結晶成長させたものである。これらの第一トンネル層13Aまたは第二トンネル層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。
The first tunnel layer 13A and the second tunnel layer 13B are crystals grown on, for example, the (100) plane of the
第一トンネル層13Aおよび第二トンネル層13Bの膜厚は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1MΩμm2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 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 to suppress noise, spin injection and output can be suitably performed. Further, the film thickness of the first tunnel layer 13A and the second tunnel layer 13B is preferably 0.6 nm or more, and in this case, the first tunnel layer 13A uniformly deposited on the
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、第一トンネル層13A上に設けられている。第二強磁性層14Bは、第二トンネル層13B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 spins into the
第一強磁性層14Aおよび第二強磁性層14Bは、主として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、第一トンネル層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、第二トンネル層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。 The first ferromagnetic layer 14A and the second ferromagnetic layer 14B mainly consist 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 mentioned. The crystal structure of the first ferromagnetic layer 14A and the second ferromagnetic layer 14B is preferably a body-centered cubic lattice structure. Thus, the first ferromagnetic layer can be partially epitaxially grown on the first tunnel layer, and the second ferromagnetic layer can be partially epitaxially grown on the second tunnel layer.
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 14A and the second ferromagnetic layer 14B have a rectangular parallelepiped shape whose major axis is the Y-axis direction. It is preferable that the first ferromagnetic layer 14A and the second ferromagnetic layer 14B have a difference in coercivity from 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 coercivity of the first ferromagnetic layer 14A is larger than the coercivity 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である。
The first reference electrode 15A and the second reference electrode 15B have a function as an electrode for supplying a detection current to the
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
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などの導電性材料である。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などの導電性材料である。
As shown in FIG. 1, a wiring 18A is provided on the first reference electrode 15A and the oxide film 7b (the inclined side surface of the silicon channel layer 12). Similarly, a wiring 18B is provided on the first ferromagnetic layer 14A and the oxide film 7b. A wire 18C is provided on the second ferromagnetic layer 14B and the oxide film 7b. A wire 18D is provided on the second reference electrode 15B and the oxide film 7b. The wirings 18A to 18D are conductive materials such as Cu. By providing the wiring on the oxide film 7b, it is possible to suppress the absorption of the spin conducted in the
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は、第一トンネル層下部領域16Aと第一トンネル層上部領域16Bから成る。第一トンネル層下部領域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。また、第一トンネル層上部領域16Bは第一トンネル層下部領域16Aの上に設けられ、第一トンネル層上部領域16B上に第一強磁性層14Aが設けられている。同様に、第二トンネル層13Bは第二トンネル層下部領域16Cと第二トンネル層上部領域16Dから成る。第二トンネル層下部領域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。また、第二トンネル層上部領域16Dは、第二トンネル層下部領域16Cの上に設けられ、第二トンネル層上部領域16D上に第二強磁性層14Bが設けられている。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the first tunnel layer 13A and the second tunnel layer 13B. The first tunnel layer 13A is composed of a first tunnel layer
以下、第一トンネル層13Aを構成する第一トンネル層下部領域16Aと第一トンネル層上部領域16Bと、第一強磁性膜14Aについて記述する。
Hereinafter, the first tunnel layer
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。 The first tunnel layer 13A is suitably a tunnel layer containing aluminum, zinc, silicon, titanium or magnesium. When these materials crystallize, they function as a tunnel layer with high spin polarization due to coherent tunneling.
また、第一トンネル層13Aはスピネル構造によるトンネル層が適している。この場合、上記の元素の種類及び濃度によって結晶格子が任意に歪む事ができるため、下地の半導体チャンネルや強磁性層に合わせて格子定数を変化させることができる。 In addition, a tunnel layer having a spinel structure is suitable for the first tunnel layer 13A. In this case, since the crystal lattice can be arbitrarily distorted depending on the type and concentration of the above-mentioned elements, the lattice constant can be changed in accordance with the underlying semiconductor channel or ferromagnetic layer.
第一トンネル層下部領域16Aは、元素が欠損したγ型アルミニウム酸化物の組成であり、スピネル構造であることが好ましい。これはスピネル構造の組成式AB2O4のAの元素の一部、あるいは、全部が欠損した構造である。なお、このスピネル構造は、Aの元素には酸素が四配位し、Bの元素には酸素が六配位したものである。このような構造の場合、シリコンチャンネル12と格子定数が近いため、界面におけるスピンの散乱を抑制することができる。
The first tunnel layer
また第一トンネル層上部領域16Bはアルミニウムとマグネシウムによる酸化物の組成であり、スピネル構造であることが好ましい。このような構造の場合、第一強磁性層14Aと格子定数が近いため、界面におけるスピンの散乱を抑制することができる。 The first tunnel layer upper region 16B has a composition of an oxide of aluminum and magnesium, and preferably has a spinel structure. In the case of such a structure, since the lattice constant is close to that of the first ferromagnetic layer 14A, scattering of spins at the interface can be suppressed.
第一トンネル層13Aの第一トンネル層下部領域16Aと第一トンネル層上部領域16Bを構成する元素の濃度は連続的に変化している。上記の例では第一トンネル層下部領域16Aから第一トンネル層上部領域16Bに向かって、スピネル構造の組成式AB2O4のAの元素の一部、あるいは、全部が欠損した状態からAの元素に亜鉛が配置された構造に連続的に変化する。
The concentrations of the elements constituting the first tunnel layer
第一トンネル層13Aの第一トンネル層下部領域16Aは、スピネル構造の組成式AB2O4のAの元素の全部が欠損した構造が最も良いが、Aの元素の一部が欠損した構造でも良い。同様に、第一トンネル層上部領域16Bは、アルミニウムとマグネシウムによる酸化物の組成であることが好ましいが、マグネシウムの一部が欠損した構造でも良い。
The first tunnel layer
さらに、第一トンネル層下部領域16AのA元素(サイト)の濃度は第一トンネル層上部領域16BのA元素(サイト)の濃度よりも低いことが好ましい。この場合、半導体チャンネル層と強磁性層のそれぞれに対して、それぞれの格子定数が近くなり、界面におけるスピン散乱を抑制することができる。
Furthermore, the concentration of the A element (site) in the first tunnel layer
上記は、第二トンネル層13Bの第二トンネル層下部領域16Cと第二トンネル層上部領域16Dの材料の場合でも同様である。
The same applies to the materials of the second tunnel layer
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は第一トンネル上部領域16B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 contains a metal selected from the group consisting of Co and Fe, an alloy containing 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 likely to be epitaxially grown on the first upper tunnel region 16B.
例えば、第一トンネル層13Aの第一トンネル層上部領域16Bの組成をMgAl2O4とし、第一強磁性層14AをFeとした場合、MgAl2O4とFeの格子定数は、ほぼ一致しているため、第一トンネル層13Aの第一トンネル層上部領域16Bと第一強磁性層14Aの界面においてスピン散乱を抑制することが可能である。なお、結晶構造や格子定数は積層膜の断面TEM(Transmission Electorn Microscopy)、XRD(X Ray Diffraction)、あるいは、EDX(Energy Dispersive X−Ray analysis)によって解析でき
る。
For example, assuming that the composition of the first tunnel layer upper region 16B of the first tunnel layer 13A is MgAl 2 O 4 and the first ferromagnetic layer 14A is Fe, lattice constants of MgAl 2 O 4 and Fe substantially match. Because of this, it is possible to suppress spin scattering at the interface between the first tunnel layer upper region 16B of the first tunnel layer 13A and the first ferromagnetic layer 14A. The crystal structure and lattice constant can be analyzed by cross section TEM (Transmission Electorn Microscopy), XRD (X Ray Diffraction), or EDX (Energy Dispersive X-Ray analysis) of the laminated film.
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、X2YZ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X2YZ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 (also referred to as full-Heusler alloy) is a generic term for intermetallic compounds having the 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 the Mn, V, Cr or Ti group, and can take the same species as X. Z is a typical element of Group III to Group V. The Heusler alloy X 2 YZ is divided into three types of crystal structures based on the regularity of X · Y · Z. By the analysis such as X-ray diffraction utilizing the periodicity of the crystal, the most regular structure which can distinguish three elements X ≠ Y ≠ Z is the L21 structure, and then the more regular X ≠ Y = Z and Is a B2 structure, and a structure in which the three elements can not be distinguished X = Y = Z is an A2 structure.
第二トンネル層13Bも、上記第一トンネル層13Aと同様である。 The second tunnel layer 13B is also similar to the first tunnel layer 13A.
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
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-Hanle measurement method of the
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
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, the case where an external magnetic field B2 is applied to the
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, a peak of the output appears when the external magnetic field is zero, and the output decreases when 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
また、上記のスピン伝導素子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、上記のスピン伝導素子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 said
また、上記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。
Further, the spin injection electrode structure IE and the
また、スピン検出部(第二強磁性層14B、第二トンネル層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。 Further, the configuration of the spin detection unit (the second ferromagnetic layer 14B, the second tunnel layer 13B, and the second convex portion 12B of the silicon channel layer 12) is not limited to the above embodiment. May be detected.
以下、実施例をあげて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be more specifically described by way of examples, but the present invention is not limited to these examples.
(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5.0×1019cm−3となるようにした。
Example 1
First, an SOI substrate consisting of 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. Implantation of phosphorus ions to impart conductivity to the silicon film was performed. Thereafter, the impurity was 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 made to be 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, RCA cleaning was used to remove deposits on the surface of the SOI substrate, organic substances, and natural oxide films. 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 base vacuum degree (vacuum degree in the apparatus before the lamination process is actually performed) was set to 2.0 × 10 −9 Torr or less. A flushing process was performed by heating the SOI substrate. Thereby, hydrogen on the silicon film surface was released to form a clean surface.
次に、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下部領域を形成し、酸化アルミニウムと同時にマグネシウムを成膜し、マグネシウムとアルミニウムと酸素を含む第一トンネル層上部領域を形成した。これらを形成する過程において欠損する酸素は原子層を数枚形成したら、成膜を一度止め、酸素イオンを膜の表面に照射して補った。以上を繰り返して、第一トンネル層を形成した。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、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。 Next, a first tunnel layer was formed on the silicon film using MBE. First, aluminum oxide was crystallized to form a lower region of the first tunnel layer, and magnesium was simultaneously formed with aluminum oxide to form a first tunnel layer upper region containing magnesium, aluminum and oxygen. In the process of forming these layers, when several atomic layers were formed, the formation of oxygen was stopped once and oxygen ions were irradiated to the surface of the film to compensate. The above was repeated to form a first tunnel layer. 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 at the time of film formation was 5 × 10 −8 Torr or less. The titanium film is a cap layer for suppressing characteristic deterioration due to oxidation of the iron film.
なお、本実施例において、第一部分と第二部分において、トンネル層のスピネル層、強磁性層の鉄膜、及び保護膜のチタン膜は同じ工程で作成しているため、第一部分と第二部分の積層構造は同じである。 In the present embodiment, the spinel layer of the tunnel layer, the iron film of the ferromagnetic layer, and the titanium film of the protective film are formed in the same step in the first portion and the second portion, so the first portion and the second portion The laminated structure of is the same.
続いて、第一トンネル層の結晶化を安定化させるため、500℃のフラッシュアニール後に、200度で3時間のアニールを行った。 Subsequently, in order to stabilize the crystallization of the first tunnel layer, annealing was performed at 200 ° C. for 3 hours after flash annealing at 500 ° C.
次に、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。
Next, after cleaning the surface of the laminate, a Ta alignment mark was formed on the substrate by photolithography and lift-off. Subsequently, the silicon film was patterned by anisotropic wet etching using a mask. Thus, the
次いで、フォトリソグラフィ法を用いて、チタン膜、鉄膜、シリコンチャンネル層をパターニングすることにより、図3のように第一強磁性層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、第一トンネル層13Aおよび第二トンネル層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。
Next, the titanium film, the iron film, and the silicon channel layer were patterned using a photolithography method to form the first ferromagnetic layer 14A and the second ferromagnetic layer 14B as shown in FIG. The oxide film and the magnesium film located except between the
次に、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。
Next, among the surfaces of the
さらに、酸化膜7a、第一トンネル層13A、第二トンネル層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。
Furthermore, on the side surfaces of oxide film 7a, first tunnel layer 13A, second tunnel layer 13B, first ferromagnetic layer 14A, second ferromagnetic layer 14B, first reference electrode 15A and second reference electrode 15B, and silicon channel A silicon oxide film (oxide film) on the main 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 formed among the upper surfaces of the
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1〜4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. A stacked structure of Ta (10 nm in thickness), Cu (50 nm in thickness), and Ta (10 nm in thickness) was used as the wirings 18A to 18D. Furthermore, electrode pads E1 to E4 were formed at the end portions of the respective wirings 18A to 18D. A laminated structure of Cr (50 nm in thickness) and Au (150 nm in thickness) was used as the electrode pads E1 to E4. Thus, the spin transport device of Example 1 having the same configuration as that of the
(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 manufactured 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) Fixed 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. Spins were injected from the first ferromagnetic layer 14A to the
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26.8μV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 of FIG. 5 shows the case where the external magnetic field B1 is changed from the minus side to the positive side, and F2 of FIG. 5 shows the case where the external magnetic field B1 is changed from the plus side to the negative side. As shown in F1 and F2 of FIG. 5, the spin transport device had a voltage output of about 26.8 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-Hanle measurement method, in the spin transport device manufactured in Example 1, the direction (Z-axis direction shown in FIG. 3) of the applied external magnetic field B2 is the magnetization direction (Y in FIG. 3) of the first ferromagnetic layer 14A. Axial direction) G1 and the magnetization direction (Y-axis direction shown in FIG. 3) G2 of the second ferromagnetic layer 14B were perpendicular to each other. 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 is a measurement result in the case where the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 14A is fixed in 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ことが証明できる。 As can be seen from the measurement results in FIG. 6, it is understood that the spins conducting in the silicon channel layer are rotating and decayed by the application of the external magnetic field B2. Therefore, it can be proved that 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2.1nmであった。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。切り出した部分は、シリコンチャンネル層に接する部分、強磁性層に接する部分、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である。また、トンネル層のシリコンに接する部分の格子定数が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。トンネル層の強磁性層に接する部分の格子定数が8.1Åであった。この格子定数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示している。
(Analysis of membrane)
The evaluation of the tunnel layer was performed at cross-sectional TEM and EDX. From the result of the cross-sectional TEM, the thickness of the tunnel layer was 2.1 nm. The tunnel layer portion was cut out from the photograph of the cross-sectional TEM, and the lattice constant was estimated by performing the Fourier analysis and analyzing the Bragg point. The cut-out portion is a portion in contact with the silicon channel layer, a portion in contact with the ferromagnetic layer, and an intermediate portion between a portion in contact with the silicon channel layer and a portion in contact with the ferromagnetic layer. The lattice constant of the portion of the tunnel layer in contact with silicon was 7.8 Å. This lattice constant indicates that it is a spinel γ-type aluminum oxide. The lattice constant of the portion of the tunnel layer in contact with the ferromagnetic layer was 8.1 Å. This lattice constant indicates that it is an oxide of magnesium and aluminum having a spinel structure.
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、深さ方向のプロファイルからトンネル層のシリコンチャンネル層側がマグネシウムの含有量の少ないマグネシウムの一部、あるいは、全部が欠損したスピネル層であり、トンネル層の強磁性層側がマグネシウムを多く含んだマグネシウムの欠損が少ないスピネル層であることが解る。また、図8にトンネル層のシリコンチャンネル層との境界を基準とした厚さ方向に対する格子定数の結果を示す。厚さ方向に対して系統的な変化が観測された。 Furthermore, analysis of magnesium, aluminum, oxygen, iron and silicon was performed by EDX. As shown in FIG. 7, according to the profile in the depth direction, the silicon channel layer side of the tunnel layer is a spinel layer in which part or all of magnesium having a low content of magnesium is deficient and the ferromagnetic layer side of the tunnel layer is It is understood that the spinel layer is a magnesium-rich spinel layer containing a large amount of magnesium. Further, FIG. 8 shows the results of the lattice constant in the thickness direction based on the boundary between the tunnel layer and the silicon channel layer. A systematic change was observed in the thickness direction.
(実施例2)
実施例1と同様に素子作成を行った。但し、第一トンネル層の第一トンネル層上部領域形成時にマグネシウムの代わりに亜鉛を用いた。スピン伝導素子の作成法は実施例1と同様に行った。
(Example 2)
A device was prepared in the same manner as in Example 1. However, zinc was used instead of magnesium when forming the first tunnel layer upper region of the first tunnel layer. The method of producing the spin transport device was the same as in Example 1.
トンネル層の評価は、実施例1と同様に行い、トンネル層の厚さは、2.2nmであった。また、トンネル層のシリコンチャンネル層に接する部分の格子定数は7.85Åであり、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。また、トンネル層の強磁性層に接する部分の格子定数は8.03Åであり、スピネル構造の亜鉛とアルミニウムの酸化物であった。 The evaluation of the tunnel layer was performed in the same manner as in Example 1, and the thickness of the tunnel layer was 2.2 nm. The lattice constant of the portion of the tunnel layer in contact with the silicon channel layer is 7.85 Å, which indicates that it is a spinel γ-type aluminum oxide. The lattice constant of the portion of the tunnel layer in contact with the ferromagnetic layer was 8.03 Å, which was an oxide of zinc and aluminum having a spinel structure.
(実施例3)
実施例1と同様に素子作成を行った。但し、強磁性層としてホイスラー合金膜を用いた。このホイスラー合金は、Co2FeAl0.5Si0.5の組成式で表される。また、ホイスラー合金膜は基板を300℃で成膜した。スピン伝導素子の作成法は実施例1と同様に行った。
(Example 3)
A device was prepared in the same manner as in Example 1. However, a Heusler alloy film was used as the ferromagnetic layer. This Heusler alloy is represented by a composition formula of Co 2 FeAl 0.5 Si 0.5 . The Heusler alloy film was formed at 300 ° C. on the substrate. The method of producing the spin transport device was the same as in Example 1.
トンネル層の評価は、実施例1と同様に行い、トンネル層の厚さは、2.2nmであった。また、トンネル層のシリコンチャンネル層に接する部分の格子定数は7.8Åであり、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。また、トンネル層の強磁性層に接する部分の格子定数は8.08Åであり、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った。また、ホイスラー合金の構成元素が、シリコンチャンネル層まで拡散していないことを確認した。 The evaluation of the tunnel layer was performed in the same manner as in Example 1, and the thickness of the tunnel layer was 2.2 nm. The lattice constant of the portion of the tunnel layer in contact with the silicon channel layer is 7.8 Å, which indicates that it is a spinel γ-type aluminum oxide. The lattice constant of the portion of the tunnel layer in contact with the ferromagnetic layer was 8.08 Å, which was an oxide of magnesium and aluminum having a spinel structure. It was also confirmed that the constituent elements of the Heusler alloy did not diffuse to the silicon channel layer.
(比較例1)
次に、第1トンネル層として、スピネル構造のγ型酸化アルミニウムを用い、第一トンネル層下部領域と第2トンネル層領域は、同一組成となるようにし、フラッシュアニールは実施せず、230℃で3時間のアニールを実施した。なお、スピン伝導素子は、実施例1と同様に作成した。
(Comparative example 1)
Next, using? -Type aluminum oxide of spinel structure as the first tunnel layer, the first tunnel layer lower region and the second tunnel layer region have the same composition, and flash annealing is not performed at 230 ° C. Annealing for 3 hours was performed. The spin transport device was prepared in the same manner as in Example 1.
このようにして得られたスピン伝導素子について、NL−Hanle測定法でスピン出力を測定した結果を、表1に示す。 Table 1 shows the results of measuring the spin output by the NL-Hanle measurement method for the spin transport device obtained in this manner.
実施例1、実施例2、及び実施例3は室温にてほぼ同様の結果が得られた。実施例3は、強磁性層として鉄よりもスピン分極率が高いホイスラー合金を使っているため、やや高い出力が得られた。 In Example 1, Example 2 and Example 3, substantially similar results were obtained at room temperature. Example 3 used a Heusler alloy having a spin polarization ratio higher than that of iron as the ferromagnetic layer, so a somewhat higher output was obtained.
(実施例4)
実施例1と同様にスピン伝導素子の作成を行った。但し、半導体チャンネル層としてゲルマニウムを用いた。
(Example 4)
A spin transport device was produced in the same manner as in Example 1. However, germanium was used as a semiconductor channel layer.
まず、基板、絶縁膜、及びゲルマニウム膜からなるGOI基板を準備した。基板にはゲルマニウム基板、絶縁膜には200nmの酸化珪素層を用い、ゲルマニウム膜は100nmであった。ゲルマニウム膜に導電性を付与する不純物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電子濃度の調整を行った。この際、ゲルマニウム膜全体の平均電子濃度が2.0×1019cm−3となるようにした。 First, a GOI substrate comprising a substrate, an insulating film, and a germanium film was prepared. A germanium substrate was used for the substrate, a silicon oxide layer of 200 nm was used for the insulating film, and the germanium film was 100 nm. Impurities for providing conductivity to the germanium film were implanted. Thereafter, the impurity was diffused by annealing at 900 ° C. to adjust the electron concentration. At this time, the average electron concentration of the entire germanium film was made to be 2.0 × 10 19 cm −3 .
次いで、RCA洗浄を用いて、GOI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GOI基板の表面を水素で終端させた。続いて、GOI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。GOI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、ゲルマニウム膜表面の水素を離脱させ、清浄表面を形成した。 Next, RCA cleaning was used to remove deposits, organic matter, and native oxide films on the surface of the GOI substrate. Thereafter, the surface of the GOI substrate was terminated with hydrogen using an HF cleaning solution. Subsequently, the GOI substrate was carried into a molecular beam epitaxy (MBE) apparatus. The base vacuum degree (vacuum degree in the apparatus before the lamination process is actually performed) was set to 2.0 × 10 −9 Torr or less. A flushing process was performed by heating the GOI substrate. Thereby, hydrogen on the germanium film surface was released to form a clean surface.
次に、MBE法を用いて、ゲルマニウム膜上に第一トンネル層を形成した。まず、酸化アルミニウムと酸化マグネシウムの比が2対0.7になるように形成した。この時、チャンバー内の酸素分圧を調整して結晶化させて第一トンネル層下部領域を形成した。成膜が進む毎にマグネシムの比率が高くなるように調整し、強磁性層形成前にはアルミニウムとマグネシウムの比が2対1となるように調整した。このようにしてマグネシウムとアルミニウムを含むスピネル構造のトンネル層を形成した。これらを形成する過程において欠損する酸素は、原子層を数層形成したのち、成膜を一度止め、酸素イオンを膜の表面に照射して補った。この工程を繰り返して、第一トンネル層を形成した。その後、第一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、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。 Next, a first tunnel layer was formed on the germanium film using MBE. First, the ratio of aluminum oxide to magnesium oxide was 2 to 0.7. At this time, the partial pressure of oxygen in the chamber was adjusted for crystallization to form a first tunnel layer lower region. It adjusted so that the ratio of magnesium might become high every time film-forming progressed, and it adjusted so that the ratio of aluminum and magnesium might become 2 to 1 before ferromagnetic layer formation. Thus, a tunnel layer having a spinel structure containing magnesium and aluminum was formed. In the process of forming these layers, oxygen which has been deficient is compensated by forming several atomic layers, stopping deposition once, and irradiating oxygen ions on the surface of the film. This process was repeated to form a first tunnel layer. Thereafter, an iron film as a first ferromagnetic layer and a titanium film as a protective film were formed in this order to obtain a laminate. The degree of vacuum at the time of film formation was 5 × 10 −8 Torr or less. The titanium film is a cap layer for suppressing characteristic deterioration due to oxidation of the iron film.
続いて、第一トンネル層の結晶化を安定化させるため、500℃のフラッシュアニール後に、200度で3時間のアニールを行った。 Subsequently, in order to stabilize the crystallization of the first tunnel layer, annealing was performed at 200 ° C. for 3 hours after flash annealing at 500 ° C.
トンネル層の評価は、実施例1と同様に行い、トンネル層の厚さは、2.0nmであった。また、トンネル層のゲルマニウムチャンネル層に接する部分の格子定数は7.8Åであり、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。また、トンネル層の強磁性層に接する部分の格子定数は8.09Åであり、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った。さらに、EDXにてマグネシウム、アルミニウム、酸素、鉄、及び、ゲルマニウムの分析を行った。深さ方向のプロファイルからトンネル層のゲルマニウムチャンネル層側がマグネシウムの含有量の少ないスピネル層であり、トンネル層の強磁性層側がマグネシウムを多く含むスピネル層であった。 The evaluation of the tunnel layer was performed in the same manner as in Example 1, and the thickness of the tunnel layer was 2.0 nm. The lattice constant of the portion of the tunnel layer in contact with the germanium channel layer is 7.8 Å, which indicates that it is a spinel γ-type aluminum oxide. The lattice constant of the portion of the tunnel layer in contact with the ferromagnetic layer was 8.09 Å, which was an oxide of magnesium and aluminum having a spinel structure. Furthermore, analysis of magnesium, aluminum, oxygen, iron and germanium was performed by EDX. From the profile in the depth direction, the germanium channel layer side of the tunnel layer is a spinel layer with a low content of magnesium, and the ferromagnetic layer side of the tunnel layer is a spinel layer containing a large amount of magnesium.
出力の評価は実施例1と同様に非局所測定にて実施した。 The output was evaluated by non-local measurement as in Example 1.
(実施例5)
実施例4と同様に素子作成を行った。トンネル領域形成時にマグネシウムの代わりに亜鉛を用いた。素子の作成法及び評価は実施例4と同様である。
(Example 5)
A device was prepared in the same manner as in Example 4. Zinc was used instead of magnesium when forming the tunnel region. The method for producing the element and the evaluation are the same as in Example 4.
(実施例6)
実施例4と同様に素子作成を行った。但し、強磁性層として、ホイスラー合金膜を形成した。このホイスラー合金はCo2FeAl0.5Si0.5の組成式で表される。また、ホイスラー合金を成膜時には基板を300℃で形成を行った。スピン伝導素子の作成法は実施例1と同様である。
(Example 6)
A device was prepared in the same manner as in Example 4. However, a Heusler alloy film was formed as a ferromagnetic layer. This Heusler alloy is represented by a composition formula of Co 2 FeAl 0.5 Si 0.5 . In addition, when forming a Heusler alloy, the substrate was formed at 300 ° C. The method of producing the spin transport device is the same as that of the first embodiment.
(比較例2)
実施例4と同様に素子作成を行った。但し、第一トンネル層の第一トンネル領域と第二トンネル領域は同じ組成になるようにし、第一トンネル層は酸化マグネシウムを用いた。また、実施例4と異なり、フラッシュアニールは実施せず、250℃で3時間のアニールを実施した。
(Comparative example 2)
A device was prepared in the same manner as in Example 4. However, the first tunnel region and the second tunnel region of the first tunnel layer were made to have the same composition, and magnesium oxide was used for the first tunnel layer. Also, unlike Example 4, flash annealing was not performed, and annealing at 250 ° C. for 3 hours was performed.
表2に測定結果を示す。実施例4、実施例5、及び実施例6で室温にてほぼ同様の結果が得られた。実施例6は、強磁性層として鉄よりもスピン分極率が高いホイスラー合金を使っているため、やや高い出力が得られた。 Table 2 shows the measurement results. Almost similar results were obtained in Example 4, Example 5, and Example 6 at room temperature. In Example 6, since a Heusler alloy having a spin polarization ratio higher than that of iron is used as the ferromagnetic layer, a somewhat higher output is obtained.
(実施例7)
次に、半導体チェンネル層として、ガリウム砒素を用い、実施例1と同様にスピン伝導素子の作成を行った。成膜方法は以下の通りである。
(Example 7)
Next, as a semiconductor channel layer, using gallium arsenide, a spin transport device was formed in the same manner as in Example 1. The film forming method is as follows.
まず、基板、絶縁膜、及びガリウム砒素膜から成る基板を準備した。基板にはガリウム砒素、絶縁膜には200nmの酸化シリコン層を用い、ガリウム砒素膜は100nmであった。ガリウム砒素膜に導電性を付与するシリコンを不純物として打ち込みを行った。その後、900℃のアニールにより不純物を拡散させて、ガリウム砒素膜の電子濃度の調整を行った。この際、ガリウム砒素膜全体の平均電子濃度が5.0×1019cm−3となるようにした。 First, a substrate consisting of a substrate, an insulating film, and a gallium arsenide film was prepared. Gallium arsenide was used as the substrate, and a 200 nm silicon oxide layer was used as the insulating film, and the gallium arsenide film was 100 nm. Implantation was performed using silicon as an impurity to impart conductivity to the gallium arsenide film. Thereafter, the impurity was diffused by annealing at 900 ° C. to adjust the electron concentration of the gallium arsenide film. At this time, the average electron concentration of the entire gallium arsenide film was made to be 5.0 × 10 19 cm −3 .
次いで、RCA洗浄を用いて、ガリウム砒素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洗浄液を用いてガリウム砒素基板の表面を水素で終端させた。続いて、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。ガリウム砒素基板の加熱によるフラッシング処理を行った。 Then, RCA cleaning was used to remove the deposit on the surface of the gallium arsenide substrate, the organic matter, and the native oxide film. Thereafter, the surface of the gallium arsenide substrate was terminated with hydrogen using an HF cleaning solution. Subsequently, the substrate was carried into a molecular beam epitaxy (MBE) apparatus. The base vacuum degree (vacuum degree in the apparatus before the lamination process is actually performed) was set to 2.0 × 10 −9 Torr or less. A flushing process was performed by heating the gallium arsenide substrate.
次に、MBE法を用いて、ガリウム砒素基板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下部領域を形成し、酸化アルミニウムと同時にマグネシウムを成膜し、マグネシウムとアルミニウムと酸素を含む第一トンネル層上部領域を形成した。これらを形成する過程において欠損する酸素は原子層を数枚形成したら、成膜を一度止め、酸素イオンを膜の表面に照射して補った。以上を繰り返して、第一トンネル層を形成した。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、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。 Next, the first tunnel layer was formed on the gallium arsenide substrate using the MBE method. First, aluminum oxide was crystallized to form a lower region of the first tunnel layer, and magnesium was simultaneously formed with aluminum oxide to form a first tunnel layer upper region containing magnesium, aluminum and oxygen. In the process of forming these layers, when several atomic layers were formed, the formation of oxygen was stopped once and oxygen ions were irradiated to the surface of the film to compensate. The above was repeated to form a first tunnel layer. 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 at the time of film formation was 5 × 10 −8 Torr or less. The titanium film is a cap layer for suppressing characteristic deterioration due to oxidation of the iron film.
続いて、第一トンネル層の結晶化を安定化させるため、500℃のフラッシュアニール後に、200度で3時間のアニールを行った。 Subsequently, in order to stabilize the crystallization of the first tunnel layer, annealing was performed at 200 ° C. for 3 hours after flash annealing at 500 ° C.
トンネル層の評価は、実施例1と同様に行い、トンネル層の厚さは、2.2nmであった。また、トンネル層のガリウム砒素チャンネル層に接する部分の格子定数は7.9Åであり、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。また、トンネル層の強磁性層に接する部分の格子定数は8.06Åであり、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った。さらに、EDXにてマグネシウム、アルミニウム、酸素、鉄、及び、ガリウム砒素の分析を行った。深さ方向のプロファイルからトンネル層のガリウム砒素チャンネル層側がマグネシウムの含有量の少ないスピネル層であり、トンネル層の強磁性層側がマグネシウムを多く含むスピネル層であった。 The evaluation of the tunnel layer was performed in the same manner as in Example 1, and the thickness of the tunnel layer was 2.2 nm. The lattice constant of the portion of the tunnel layer in contact with the gallium arsenide channel layer is 7.9 Å, which indicates that it is a spinel γ-type aluminum oxide. The lattice constant of the portion of the tunnel layer in contact with the ferromagnetic layer was 8.06 Å, which was an oxide of magnesium and aluminum having a spinel structure. Furthermore, analysis of magnesium, aluminum, oxygen, iron and gallium arsenide was performed by EDX. From the profile in the depth direction, the gallium arsenide channel layer side of the tunnel layer is a spinel layer with a low content of magnesium, and the ferromagnetic layer side of the tunnel layer is a spinel layer containing a large amount of magnesium.
出力の評価は実施例1と同様に非局所測定にて実施した。 The output was evaluated by non-local measurement as in Example 1.
(実施例8)
実施例7と同様に素子作成を行った。トンネル領域形成時にマグネシウムの代わりに亜鉛を用いた。素子の作成法及び評価は実施例7と同様である。
(Example 8)
A device was prepared in the same manner as in Example 7. Zinc was used instead of magnesium when forming the tunnel region. The preparation method and evaluation of the device are the same as in Example 7.
(実施例9)
実施例7と同様に素子作成を行った。但し、強磁性層としてホイスラー合金膜を形成した。このホイスラー合金はCo2FeAl0.5Si0.5の組成式で表される。また、ホイスラー合金を成膜時には基板を300℃で形成を行った。素子の作成法は実施例と同様である。
(Example 9)
A device was prepared in the same manner as in Example 7. However, a Heusler alloy film was formed as a ferromagnetic layer. This Heusler alloy is represented by a composition formula of Co 2 FeAl 0.5 Si 0.5 . In addition, when forming a Heusler alloy, the substrate was formed at 300 ° C. The method of producing the device is the same as that of the embodiment.
(比較例3)
実施例7と同様に素子作成を行った。但し、第一トンネル層の第一トンネル領域と第二トンネル領域は同じ組成になるようにし、第一トンネル層は酸化マグネシウムを用いた。また、実施例7と異なり、フラッシュアニールは実施せず、250℃で3時間のアニールを実施した。
(Comparative example 3)
A device was prepared in the same manner as in Example 7. However, the first tunnel region and the second tunnel region of the first tunnel layer were made to have the same composition, and magnesium oxide was used for the first tunnel layer. Further, unlike Example 7, flash annealing was not performed, and annealing at 250 ° C. for 3 hours was performed.
表3に測定結果を示す。実施例7、実施例8、及び実施例9は室温にてほぼ同様の結果が得られた。実施例9は、強磁性層として鉄よりもスピン分極率が高いホイスラー合金を使っているため、やや高い出力が得られた。 Table 3 shows the measurement results. In Example 7, Example 8, and Example 9, substantially similar results were obtained at room temperature. Example 9 used a Heusler alloy having a spin polarization ratio higher than that of iron as the ferromagnetic layer, so a somewhat higher output was obtained.
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、16A…第一トンネル層下部領域、16B…第一トンネル層上部領域、16C…第二トンネル層下部領域、16D…第二トンネル層上部領域、70…交流電流源、80…出力測定器。 IE: spin injection electrode structure, 1: spin conductive 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, 16A: first tunnel layer lower region, 16B: first tunnel layer upper region, 16C: second tunnel layer lower region, 16D ... second tunnel layer upper region, 70 ... alternating current source, 80 ... output measuring instrument.
Claims (3)
Al, Mg, Si, consists of an oxide containing any of the elements Zn, tunnel layer according to claim 1 or 2.
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