JP6958691B2 - トンネル層 - Google Patents

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。

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。

特開２０１０−２３９０１１号公報

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) Y. Ando et al., APPLIED PHYSICS LETTERS 94, p182105-1〜182105-3, (2009) Saroj P. Dash et al., nature, vol.462, p491〜494,(2009) T. Suzuki et al., AppliedPhysics Express 4, p023003-1〜023003-3, (2011)

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。

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。

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。

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。

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。

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、ＡＢ_２Ｏ_４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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図１は、本実施形態に係るスピン伝導素子の斜視図である。 図２（ａ）は、本実施形態に係るスピン伝導素子の上面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す領域Ｂの拡大図である。 図３は、図１のIII−III線に沿った断面図である。 図４は、第一トンネル層１３Ａ及び第二トンネル層１３Ｂをそれぞれ構成する第一トンネル層下部領域１６Ａ、第一トンネル層上部領域１６Ｂ、第二トンネル層下部領域１６Ｃ、第二トンネル層上部領域１６Ｄの構成図である。 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。 図８は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である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係るスピン伝導素子の好適な実施形態について詳細に説明する。図中には、必要に応じてＸＹＺ直交座標軸系が示されている。図１は、本実施形態に係るスピン伝導素子の斜視図である。図２（ａ）は、本実施形態に係るスピン伝導素子の上面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す領域Ｂの拡大図である。図３は、図１のIII−III線に沿った断面図である。

図３に示すように、スピン伝導素子１は、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。

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。）

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。

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５．０×１０^１９ｃｍ^−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。

図３に示すように、シリコンチャンネル層１２は側面に傾斜部を有しており、その傾斜角θは５０度から６０度である。この傾斜角θとは、シリコンチャンネル層１２の底部と側面のなす角度である。なお、シリコンチャンネル層１２はウェットエッチングにより形成することができる。

図３に示すように、シリコンチャンネル層１２は、第一凸部（第一部分）１２Ａ、第二凸部（第二部分）１２Ｂ、第三凸部（第三部分）１２Ｃ、第四凸部（第四部分）１２Ｄ、および主部１２Ｅを含む。第一凸部１２Ａ、第二凸部１２Ｂ、第三凸部１２Ｃ、および第四凸部１２Ｄは、主部１２Ｅから突出するように延在する部分であり、この順に所定軸（図３に示す例ではＸ軸）方向に所定の間隔を置いて配列している。

第一凸部１２Ａ、第二凸部１２Ｂ、第三凸部１２Ｃ、および第四凸部１２Ｄの膜厚（図３に示す例ではＺ軸方向の長さ）Ｈ１は、例えば２０ｎｍである。主部１２Ｅの膜厚（図３に示す例ではＺ軸方向の長さ）Ｈ２は、例えば８０ｎｍである。第一凸部１２Ａと第三凸部１２Ｃとの間の距離Ｌ１は、例えば１００μｍ以下である。第一凸部１２ＡのＸ軸方向の長さの中央部と、第二凸部１２ＢのＸ軸方向の長さの中央部との間の距離ｄは、スピン拡散長以下であることが好ましい。室温（３００Ｋ）でのシリコンチャンネル層１２におけるスピン拡散長は例えば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。

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。

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。

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。

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。

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。

図１に示す例では、第一強磁性層１４Ａおよび第二強磁性層１４Ｂは、Ｙ軸方向を長軸とした直方体形状を有している。第一強磁性層１４Ａおよび第二強磁性層１４Ｂの形状異方性によって、第一強磁性層１４Ａおよび第二強磁性層１４Ｂとは保磁力差が付けられていることが好適である。第一強磁性層１４Ａの幅（Ｘ軸方向の長さ）は、例えば３５０ｎｍ程度となっている。第二強磁性層１４Ｂの幅（Ｘ軸方向の長さ）は、例えば２μｍ程度となっている。図１に示す例では、第一強磁性層１４Ａの保磁力は、第二強磁性層１４Ｂの保磁力よりも大きくなっている。

第一参照電極１５Ａおよび第二参照電極１５Ｂは、シリコンチャンネル層１２に検出用電流を流すための電極としての機能と、スピンによる出力を読み取るための電極としての機能を有する。第一参照電極１５Ａは、シリコンチャンネル層１２の第三凸部１２Ｃ上に設けられている。第二参照電極１５Ｂは、シリコンチャンネル層１２の第四凸部１２Ｄ上に設けられている。第一参照電極１５Ａ及び第二参照電極１５Ｂは、導電性材料からなり、例えばＡｌなどのＳｉに対して低抵抗な非磁性金属である。

酸化膜７ａは、シリコンチャンネル層１２の側面に形成されている。また、酸化膜７ｂは、シリコンチャンネル層１２、酸化膜７ａ、第一トンネル層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。

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。

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。

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。

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。

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。

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ＡＢ_２Ｏ_４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。

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。

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ＡＢ_２Ｏ_４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。

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ＡＢ_２Ｏ_４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。

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。

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。

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。

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ＭｇＡｌ_２Ｏ_４とし、第一強磁性層１４ＡをＦｅとした場合、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４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。

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。

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。

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。

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。

ここで、シリコンチャンネル層１２に外部磁場Ｂ２を印加しないとき、すなわち外部磁場がゼロのとき、シリコンチャンネル層１２のうち第一強磁性層１４Ａと第二強磁性層１４Ｂとの間の領域を拡散するスピンの向きは回転しない。よって、予め設定された第二強磁性層１４Ｂの磁化の向きＧ２と同一方向のスピンが、シリコンチャンネル層１２における第二強磁性層１４Ｂ側の領域に拡散してくることとなる。従って、外部磁場がゼロのとき、出力（例えば抵抗出力や電圧出力）は極値となる。なお、電流や磁化の向きで極大値または極小値をとりうる。出力は、第二強磁性層１４Ｂおよび第二参照電極１５Ｂに接続した電圧測定器などの出力測定器８０により評価できる。

対して、シリコンチャンネル層１２に外部磁場Ｂ２を印加する場合を考える。外部磁場Ｂ２は、第一強磁性層１４Ａの磁化方向Ｇ１（図３の例ではＹ軸方向）および第二強磁性層１４Ｂの磁化方向Ｇ２（図３の例ではＹ軸方向）に対して垂直な方向（図３の例ではＺ軸方向）から印加する。外部磁場Ｂ２を印加すると、シリコンチャンネル層１２内を拡散・伝導するスピンの向きは、外部磁場Ｂ２の軸方向（図３の例ではＺ軸方向）を中心として回転する（いわゆるＨａｎｌｅ効果）。シリコンチャンネル層１２における第二強磁性層１４Ｂ側の領域まで拡散してきたときのこのスピンの回転の向きと、予め設定された第二強磁性層１４Ｂの磁化の向きＧ２、すなわちスピンの向きと、の相対角により、シリコンチャンネル層１２と第二強磁性層１４Ｂの界面の出力（例えば抵抗出力や電圧出力）が決定される。外部磁場Ｂ２を印加する場合、シリコンチャンネル層１２内を拡散するスピンの向きは回転するので、第二強磁性層１４Ｂの磁化の向きと向きが揃わない。よって、出力は、外部磁場がゼロのときに極大値をとる場合、外部磁場Ｂ２を印加するときには極大値以下となる。また、出力は、外部磁場がゼロのときに極小値をとる場合、外部磁場Ｂ２を印加するときには極小値以上となる。

従って、ＮＬ−Ｈａｎｌｅ測定法では、外部磁場がゼロのときに出力のピークが現われ、外部磁場Ｂ２を増加または減少させると出力が減少していく。つまり、外部磁場Ｂ２の有無によって出力が変化するので、本実施形態に係るスピン伝導素子１は、例えば磁気センサとして使用できる。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

（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。

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。

（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。

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。

（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。

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。

（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、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_０．５Ｓｉ_０．５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。

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。

（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。

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。

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。

（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。

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２．０×１０^１９ｃｍ^−３となるようにした。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_０．５Ｓｉ_０．５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。

（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。

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。

（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。

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５．０×１０^１９ｃｍ^−３となるようにした。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_０．５Ｓｉ_０．５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。

（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。

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。

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。

Claims (2)

1. スピネル構造を有し、陽イオン元素の組成が膜厚方向に連続的に変化し、膜厚方向における両端部間の中間部の酸素元素濃度が、膜厚方向における両端部の酸素元素濃度よりも高いことを特徴とするトンネル層。
2. Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｚｎのいずれかの元素を含む酸化物から構成される、請求項１に記載のトンネル層。

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