JP7127770B2 - 面直磁化強磁性半導体ヘテロ接合素子、およびこれを用いた磁気記憶装置並びにスピンロジック素子 - Google Patents

Description

本発明は、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、又はＩ－ＩＩＩ－ＶＩ_２型カルコパイライト型化合物半導体を用いた垂直磁化膜磁気ヘテロ接合素子に関する。
また本発明は、上記の磁気ヘテロ接合素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリ、ハードディスクの再生ヘッド等の磁気記憶装置や、スピンロジック素子に関する。

トンネル磁気抵抗素子（ＭＴＪ：magnetic tunnel junction）や巨大磁気抵抗（ＣＰＰ－ＧＭＲ： Current Perpendicular to Plane - Giant MagnetoResistance）素子といった磁気抵抗（ＭＲ： Magneto-Resistance）素子は、強磁性層／非磁性層／強磁性層の３層構造からなり、上下に配置する強磁性層の磁化の相対的な角度により抵抗が大きく変化する現象を利用した素子である。ＭＲ素子は磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ： Magnetoresistive random-access memory）、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）の再生ヘッド、スピンロジック素子への応用が期待されている。

ＭＲ素子は強磁性体のスピン配向を利用した素子であるため、スピンが熱的擾乱に対して大きく揺らぐ状況は好ましくない。このようなＭＲ素子の熱的安定性を議論する上で重要となるのが界面磁気異方性である。これまでの研究によって、強磁性層の磁化が界面に対して垂直に配向する素子は、強磁性層の磁化が界面に対して面内に配向する素子と比較して、より大きな熱力学的安定性を有することが明らかにされてきた。さらに界面垂直磁気異方性は、電流駆動磁化反転における臨界電流の低減をもたらすので、ＳＴＴ－ＭＲＡＭ（スピン注入磁化反転型（spin transfer torque：ＳＴＴ）磁気抵抗変化型メモリー（ＭＲＡＭ）においても有利である。

ここで、面内磁化と面直磁化の関係については、Ｃｕ（００１）基板、下地Ｎｉ層、及び強磁性ＦｅＮｉ層を積層させた多層膜系では、下地Ｎｉ層が薄い領域では面内磁化が、厚い領域では面直磁化が発現することが明らかにされている。（例えば非特許文献１参照）。
磁性薄膜の磁気異方性に関しては、実効的磁気異方性Ｋｅｆｆ^＊ｔの正負に応じて、Ｋｅｆｆ^＊ｔが負であれば面内磁化となり、Ｋｅｆｆ^＊ｔが正であれば面直磁化となることが知られている。
Ｋｅｆｆ^＊ｔ=Ｋｓ－２πＭｓ^２＊ｔ （１）
ここで、第１項は界面結晶磁気異方性、第２項は形状磁気異方性を示している（例えば非特許文献２参照）。

従来、界面垂直磁気異方性を持つＭＲ素子は非磁性層として酸化物（ＭｇＯ、ＡｌＯ）を持つものに限られてきた。しかしこのような酸化物系では強磁性層・非磁性層界面での過酸化や酸素欠損によって純良な界面が形成されづらいという問題が存在する。
他方で、本出願人は垂直磁気記録媒体について既に提案を行っているが（特許文献１、２参照）、強磁性層・非磁性層界面でのさらに高い垂直磁気異方性エネルギーを持つ構造とすることで、高ＭＲ比、低ＲＡ、垂直磁気異方性の３つの必要条件を満たす応用上大変優れた磁気抵抗素子とすることができる。

ＷＯ２０１５／０３７４２５ 特許第５６１７１１２号公報

雨宮健太、磁性薄膜・多層膜の表面・界面における原子構造・磁気状態および電子状態の解明（２０１３） スライド５頁、８頁 http://www2.kek.jp/imss/cmrc/zentai2013/06-amemiya.pdf Ａ．Ｈａｌｌａｌ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ８８， １８４４２３（２０１３）

本発明では、強磁性層と非磁性層との界面で純良な界面が得られると共に高い垂直磁気異方性エネルギーを有する磁気ヘテロ接合素子を提供することを目的とする。

本発明の磁気ヘテロ接合素子は、例えば図１に示すように、基板と、この基板に隣接して設けられるか、又は下地層を挟んで設けられる強磁性層と、この強磁性層に隣接して設けられる非磁性層を有すると共に、当該強磁性層と非磁性層は［００１］配向で積層した構造を有する磁気ヘテロ接合素子であって、鉄を含有する強磁性材料からなる前記強磁性層と、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、Ｉ－ＩＩＩ－ＶＩ２型カルコパイライト型化合物半導体からなる群から選択される化合物からなる前記非磁性層とを備え、前記強磁性層と前記非磁性層との接合界面における界面結晶磁気異方性エネルギーが０．７８ｍＪ／ｍ^２を超えると共に、前記強磁性層が垂直磁化層であることを特徴とする。界面結晶磁気異方性エネルギーの閾値０．７８ｍＪ／ｍ^２は、ｂｃｃ強磁性体Ｃｏ_０．５Ｆｅ_０．５における形状磁気異方性の計算値であり、磁気ヘテロ接合素子はこの基準値を超える界面結晶磁気異方性を有するのがよい。
本発明の磁気ヘテロ接合素子において、好ましくは、非磁性層の上に、上部電極又は保護層の少なくとも一方が設けられるとよい。

本発明の磁気ヘテロ接合素子は、例えば図１、図６に示すように、基板１１上に第１の強磁性層１２、非磁性層１３、第２の強磁性層１４を積層した構造を有する磁気ヘテロ接合素子であって、第１の強磁性層１２と第２の強磁性層１４の少なくとも一方は鉄を含有する強磁性材料からなると共に、非磁性層１３はＺｎＳｅ、ＺｎＳ、Ｉ－ＩＩＩ－ＶＩ２型カルコパイライト型化合物半導体からなる群から選択される化合物からなり、第１又は第２の強磁性層（１２、１４）と非磁性層１３との接合界面における垂直磁気異方性エネルギーが０．７８ｍＪ／ｍ^２を超えると共に、第１又は第２の強磁性層（１２、１４）の少なくとも一方が垂直磁化層であることを特徴とする。
第１又は第２の強磁性層（１２、１４）と非磁性層１３との接合界面における垂直磁気異方性エネルギーとして、さらに好ましくは、１．０ｍＪ／ｍ^２以上であると良く、好適には１．５ｍＪ／ｍ^２以上であると更によい。
本発明の磁気ヘテロ接合素子において、好ましくは、非磁性層の上に、上部電極又は保護層の少なくとも一方が設けられるとよい。

本発明の磁気ヘテロ接合素子において、好ましくは、Ｉ－ＩＩＩ－ＶＩ_２型カルコパイライト型化合物半導体は、Ｃｕ（Ｉｎ_１－ｙＧａ_ｙ）Ｓｅ_２（０≦ｙ≦１）、Ａｇ（Ｉｎ_１－ｙＧａ_ｙ）Ｓｅ_２（０≦ｙ≦１）、ＡｇＩｎＳ_２からからなる群から選択される一つであるとよい。
本発明の磁気ヘテロ接合素子において、好ましくは、前記非磁性層の厚さは０.５～３ｎｍであるとよい。
本発明の磁気ヘテロ接合素子において、好ましくは、鉄を含有する強磁性材料は、ｂｃｃ－Ｆｅ、ｂｃｃ－Ｆｅ_１－ｘＣｏ_ｘ（０＜ｘ＜０．６）、（Ｃｏ_ｘＦｅ_１－ｘ）_１－ｙＢ_ｙ（０＜ｘ＜０．６、０．１５＜ｙ≦０．３）からなる群から選択される軟磁性層を有するとよい。

本発明の磁気ヘテロ接合素子において、好ましくは、前記基板は、ＭｇＯ基板、シリコン基板、砒化ガリウム基板、窒化ガリウム基板、サファイア基板、ガラス基板からなる群から選択される絶縁体または半導体の基板であるとよい。当該シリコン基板は、熱酸化シリコン基板を含むものとする。
本発明の磁気ヘテロ接合素子において、前記基板と前記強磁性層の間には、さらに下地層が設けられていても良く、前記下地層はＣｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｏｓ、Ｒｅ、ＭｇＯからなる群から選択される金属元素からなるとよい。

本発明の磁気記憶装置は、上記の磁気ヘテロ接合素子を用いた磁気記憶装置であって、前記磁気ヘテロ接合素子の一方の強磁性材料の層におけるスピンの向きを固定し、他方の強磁性材料の層におけるスピンの向きを反転可能とし、前記磁気ヘテロ接合素子の積層方向に電流を通電して、前記各層のスピンの向きに応じた値を出力するとよい。
本発明のスピンロジック素子は、上記の磁気ヘテロ接合素子を用いたスピンロジック素子であって、前記カルコパイライト型化合物半導体の層にゲート電圧を印加し、前記磁気ヘテロ接合素子の一方の強磁性材料の層をソース層とし、他方の強磁性材料の層をドレイン層とする。

次に、カルコパイライトの結晶構造について説明する。
元素周期表において、ＩＶ族（Ｓｉ、Ｇｅなど）をはさんでＩＶ族から等間隔にある２種の元素で化合物をつくると、同様の化学結合ができて半導体になる。例えば、ＩＩＩ－Ｖ族の一例であるＧａＡｓにおいては、Ｇａから３ｓ^２３ｐ^１の３電子が供給され、Ａｓから４ｓ^２４ｐ^３の５電子が供給され再配分され、１原子あたり４個の電子はｓｐ^３混成軌道を作る。ＩＩＩ－Ｖ族半導体はＩＶ族と等電子的（ｉｓｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）である。ＩＶ族を出発点として、ＩＩ－ＶＩ族、ＩＩＩ－Ｖ族が得られ、さらに、ＩＩ－ＶＩ族においてＩＩ族をＩ族とＩＩＩ族の２つの元素で置き換えるとＩ－ＩＩＩ－ＶＩ_２族の化合物が、次にＩ族を空格子点とＩＩ族で置換するとＩＩ－ＩＩＩ_２ＶＩ_４族の結晶ができる。このような系列をアダマンティン（ａｄａｍａｎｔｉｎｅ）系列と称する。アダマンティン系列の系統図を図１１に示す。これらは等電子的でいずれも半導体的な物性を示す。

その結晶構造は、ＩＶ族ではダイヤモンド構造（ｄｉａｍｏｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、ＩＩＩ－Ｖ族とＩＩ－ＶＩ族では閃亜鉛鉱構造（ｚｉｎｃｂｌｅｎｄｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）またはウルツ鉱構造（ｗｕｒｚｉｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、Ｉ－ＩＩＩ－ＶＩ_２、ＩＩ－ＩＶ－Ｖ_２族では黄銅鉱構造（ｃｈａｌｃｏｐｙｒｉｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）をとる。

図１２は、カルコパイライト型の結晶構造を説明する元素配置図である。Ｉ－ＩＩＩ－ＶＩ_２族、ＩＩ－ＩＶ－Ｖ_２族など黄銅鉱構造は、閃亜鉛鉱構造をｃ軸方向に２階建てに積み重ねた単位胞をもつが、ｃ軸の長さは、ａ軸の長さの２倍からずれ、正方晶系（ｔｅｔｒａｈｅｄｒａｌ ｓｙｓｔｅｍ）となる。

本発明の磁気ヘテロ接合素子によれば、非磁性層がＺｎＳｅ、ＺｎＳ、Ｉ－ＩＩＩ－ＶＩ２型カルコパイライト型化合物半導体からなる群から選択される化合物からなるため、酸素を含有せず、強磁性層の磁性材料は非磁性層による酸化が防止される。また半導体の終端層（Ｆｅとの界面層）は４ｐ価電子を含む元素（ＳｅやＳ）からなることがエネルギー比較により明らかになった。これにより、強磁性層と非磁性層との界面で、純良な界面が得られると共に高い垂直磁気異方性エネルギーを有する磁気ヘテロ接合素子が得られるという、特有の効果がある。
本発明の磁気ヘテロ接合素子を用いた磁気記憶装置並びにスピンロジック素子によれば、高密度の記憶容量を有する垂直磁気記録装置や不揮発ロジックデバイス等に応用可能なスピンロジック素子が得られる。

本発明の磁気ヘテロ接合素子が搭載される磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の一実施例を示す構成斜視図である。 本発明の磁気ヘテロ接合素子の一実施例を示す原子配置を説明する構成図である。 本発明の磁気ヘテロ接合素子の一実施例を示す元素組成と、界面結晶磁気異方性定数Ｋｓを説明する図である。 界面結晶磁気異方性定数Ｋｓを説明する式における電子軌道ｄｚｘ、ｄｙｚ、ｄｘｙのエネルギー準位を説明する図である。 第一原理計算を用いた界面結晶磁気異方性定数Ｋｓを説明する図である。 本発明の一実施例を示すＣＩＧＳを用いた磁気抵抗素子の膜構成図である。 本実施形態に係る磁気ヘテロ接合素子の形成方法を示すフローチャートである。 本発明の磁気ヘテロ接合素子が搭載される磁気記録再生装置の一例を示す概略図である。 本発明の磁気ヘテロ接合素子が搭載される磁気ヘッドアセンブリの一例を示す概略図である。 本発明の磁気ヘテロ接合素子が搭載される磁気ヘッドの一例を示す概略図で、主磁極の先端部及び高周波発振子を拡大して示してある。 アダマンティン系列の系統図である。 カルコパイライト型の結晶構造を説明する元素配置図である。

以下、図面を用いて本発明を説明する。
図１は、本発明の磁気ヘテロ接合素子が搭載される磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の一実施例を示す構成斜視図である。
ＭＲＡＭの内部回路は、磁気抵抗（ＭＲ）素子とＦＥＴ素子から構成される「メモリセル」の部分と、多数のメモリセルが配列したマトリックスの周囲を取り巻く「周辺回路」から構成される。ＭＲ素子は非磁性体膜を２つの強磁性体層が挟み込む構造になっている。これらの強磁性体層の内の一方は磁化が固定されており（固定層）、もう一方は可変である（可動層）。なお、ＭＲ素子においては垂直方向に磁気記録が行われる。
各々のメモリセルはＭＲ素子１個とスイッチ用のＦＥＴ１個から構成される。記憶セルは碁盤の目状に並べて配置され、横方向と縦方向にワード線とビット線が走っている。記憶データは、メモリセルのＭＲ素子に電荷がある場合は論理“１”、無い場合は論理“０”というように扱われており、１つのメモリセルで１ビットの記憶を保持している。

このように構成されたＭＲＡＭにおいて、動作に関しては、データの記録がセルの磁化により行なわれ、読み出しがＭＲ素子で行われる。
書き込み時には、書き込み先セルに対応したビット線とワード線に電流を流し、磁場を発生させる。ビット線とワード線の交点で最も合成磁場が強くなることにより、選択されたセルのデータを書き換える。
読み出し時において、ＭＲ素子に電流は金属中を通常の電気伝導として流れる。固定層の中でスピン偏りが生じた電子が、非磁性体膜を通過して可動層に到着した時に、それらの強磁性体層の間で、磁化の方向が反平行であると電子はそこで散乱されるので抵抗が高くなり、磁化の方向が平行であると電子は然程散乱されずに抵抗は(相対的に)低くなる。このように可動層の磁化の大きさにより抵抗の大きさが変化するので、これをデータの“０”と“１”に対応させることで読み出しを行う。
この様に、ＭＲＡＭは記憶に強磁性体中の電子のスピンに由来する磁化状態を利用するため不揮発で、電源を遮断してもデータが保存される。

図２は、本発明の磁気ヘテロ接合素子の一実施例を示す原子配置を説明する構成図で、（Ａ）はＦｅ／二元半導体（例えばＺｎＳｅ）、（Ｂ）はＦｅ／三元半導体（例えばＣｕＩｎＳｅ_２）、（Ｃ）はＦｅ／四元半導体（例えばＣｕ（Ｉｎ_０．２５Ｇａ_０．７５）Ｓｅ_２）である。図２（Ａ）のＦｅ／ＺｎＳｅにおいて、Ｆｅの膜厚は０．８６ｎｍであり、ＺｎＳｅの膜厚は２．６８ｎｍとなっている。図２（Ｂ）のＦｅ／ＣｕＩｎＳｅ_２において、Ｆｅの膜厚は０．８４ｎｍであり、ＣｕＩｎＳｅ_２の膜厚は２．７６ｎｍとなっている。図２（Ｃ）のＦｅ／Ｉｎ_０．２５Ｇａ_０．７５）Ｓｅ_２において、Ｆｅの膜厚は０．８６ｎｍであり、Ｉｎ_０．２５Ｇａ_０．７５）Ｓｅ_２の膜厚は２．６６ｎｍとなっている。
そして、表１に示すような、Ｆｅ／半導体ヘテロ接合を用意し、この接合系の構造最適化を行った。より具体的には、第一原理計算により求まるエネルギーが最も低くなるように超格子内の原子位置およびＦｅと半導体の界面距離を最適化した。また、半導体の異なる終端層についてエネルギー比較を行い、どの終端層が最安定となるかについても調べた。その結果、今回調べた系では、Ｓｅ、Ｓ、Ａｓなど４ｐ価電子を持つ原子が終端層に来た時［図２の界面部を参照］がエネルギー最小になることがわかった。
また、Ｃｕ（Ｉｎ_１－ｙＧａ_ｙ）Ｓｅ_２（０≦ｙ≦１）は、Ｃｕ（Ｉｎ_１－ｙＧａ_ｙ）Ｓ_２（０≦ｙ≦１）に比べて、界面磁気異方性定数が大きくなっている。Ｃｕ（Ｉｎ_１－ｙＧａ_ｙ）Ｓ_２（０≦ｙ≦１）は、ｂｃｃ強磁性体Ｃｏ_０．５Ｆｅ_０．５における形状磁気異方性定数の計算値である０．７８ｍＪ／ｍ^２よりも、低い界面磁気異方性を有するにすぎない。

続いて構造最適化した接合系を用い、Ｆｅの磁化が面内および面直を向いた場合それぞれについて、第一原理計算を用いてエネルギー固有値（Ｅ［１００］およびＥ［００１］）を算出した。これらのエネルギー固有値と接合系の断面積Ａを用いると、界面結晶磁気異方性定数Ｋｓは次式で与えられる［参考文献６］。

この式を用い、各々のＦｅ／半導体ヘテロ接合系について界面結晶磁気異方性を評価した。

ここで、界面結晶磁気異方性定数Ｋｓを算出した第一原理計算の原理について説明する。この第一原理計算には、密度汎関数理論（density-functional theory）に基づくものを用いている。第一原理計算にはＷｉｅｎ大学で開発されたコードVienna ab-initiosimulation package （VASP）［参考文献１,２］を用いた。また、本件の第一原理計算では、原子核近傍のコア状態を記述するためにprojector augmented-wave（PAW）ポテンシャル［参考文献４、５］を採用し、電子間相互作用を記述する交換相関項に一般化勾配展開近似（generalized gradient approximation; GGA）［参考文献３］を適用した。

図３は、本発明の磁気ヘテロ接合素子の一実施例を示す元素組成と、界面結晶磁気異方性定数Ｋｓを説明する図である。図中、ｘ＝０は三元半導体（ＣｕＧａＳｅ_２）、ｘ＝１．０は三元半導体（ＣｕＩｎＳｅ_２）を表し、この中間領域は四元半導体（Ｃｕ（Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘ）Ｓｅ_２）（０＜ｘ＜１）となっている。ｘの増加、即ちインジウム分率に対応して、界面結晶磁気異方性定数Ｋｓが増加しており、表１の実施例３、７と実施例４－６が対応している。

図４は、界面結晶磁気異方性定数Ｋｓを説明するための模式図である。なお、電子軌道ｄｚｘ、ｄｙｚ、ｄｘｙのエネルギー準位は、あくまで例示に過ぎず、実際は個々の物質により異なる。下記の数２は、界面結晶磁気異方性定数を（スピン軌道相互作用に関する）２次摂動論を使って評価したものである。この式の意図するところは、図４（Ａ）のように、Ｆｅｒｍｉ準位（Ｅ_Ｆ）の上下に磁気量子数が同じ原子軌道からなるバンドが存在する場合には、磁気異方性にプラスの寄与があり、図４（Ｂ）のようにＦｅｒｍｉ準位（Ｅ_Ｆ）の上下に磁気量子数が±１異なる原子軌道からなるバンドが存在する場合には、磁気異方性にマイナスの寄与があることである。

続いて本発明で得られた界面垂直磁気異方性が数２の式を用いて解釈可能か否かを考察していく。図５は、第一原理計算を用いて計算した界面結晶磁気異方性定数Ｋｓを説明する図である。ここでは今回の系の中で最大の界面垂直磁気異方性が得られたＦｅ／ＣｕＩｎＳｅ_２に着目する。まず図５（Ａ）は界面結晶磁気異方性定数を各波数の寄与（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｚｏｎｅの各点の寄与）に分解したものである。この図から最も大きなプラスの寄与はΓ点［（０、０）]近傍から得られていることがわかる。そこでこのΓ点近傍のバンド構造を見てみると、多数スピン（Ｍａｊｏｒｉｔｙ－ｓｐｉｎ）バンド、少数スピン（Ｍｉｎｏｒｉｔｙ－ｓｐｉｎ）バンドとも、Ｆｅｒｍｉ準位の上下に同じ磁気量子数を持つタイプのバンドが位置しており、数２の式による評価と今回の計算結果に矛盾がない。再び右上の図に目を移すと、Ｍ点［（－π、－π）］とΓ点［（０、０）］を結ぶ直線上の中間点付近では界面結晶磁気異方性定数にマイナスの寄与が存在することがわかる。そこで右下の少数スピン（Ｍｉｎｏｒｉｔｙ－ｓｐｉｎ）バンドの対応する部分を見てみるとＦｅｒｍｉ準位を挟む形で磁気量子数が±1異なるバンドが位置しており、やはり数２の式による評価と今回の計算結果に矛盾がない。

以上、説明したように、界面結晶磁気異方性の特性はスピン軌道相互作用に関する２次摂動論で基本的に理解可能である。また逆の視点から述べると、ヘテロ接合系のＦｅｒｍｉ準位付近のバンド構造がわかれば、界面結晶磁気異方性に関する特性の予見が可能である。

以下、本実施形態に係る磁気ヘテロ接合素子のスピン伝導構造について、図６を用いて説明する。図６は、本発明の一実施例を示すＣＩＧＳを用いた磁気抵抗素子の膜構成図で、スピン伝導構造を示している。

本実施形態において、基板上に第１の強磁性層、非磁性層、第２の強磁性層を積層した構造を有する磁気ヘテロ接合素子における非磁性層には、Ｉ－ＩＩＩ－ＶＩ_２型カルコパイライト型化合物半導体の１つであるＣｕ（Ｉｎ_１?ｙＧａ_ｙ）Ｓｅ_２（０≦ｙ≦１であり、例えば０．２。以下ＣＩＧＳと略して表記する場合がある）をスペーサ材料として用いている。例えば、上記のＣＩＧＳにおいて、ｙ＝０．２を採用すると、Ｃｕ（Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２）Ｓｅ_２となるが、これはＣｕＩｎＳｅ_２のＩｎの一部をＧａで置換したものである。Ｃｕ（Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２）Ｓｅ_２は太陽電池材料として知られており、カルコパイライト型の結晶構造を持つ。バンドギャップについては、ＣｕＩｎＳｅ_２は約１．０ｅＶ、ＣｕＧａＳｅ２は約１．７ｅＶであり、Ｇａの置換量により変化する。また、格子定数はＧａの置換により０．５６ｎｍから０．５８ｎｍへと変化する。なお、上記のＣＩＧＳにおいて、ｙ＝０．２に限られず、０≦ｙ≦１の範囲にあればよい。

本実施形態において、第１及び第２の強磁性層に用いる鉄を含有する強磁性材料には、ｂｃｃ－Ｆｅ、ｂｃｃ－Ｆｅ_１－ｘＣｏ_ｘ（０＜ｘ＜０．６）、（Ｃｏ_ｘＦｅ_１－ｘ）_１－ｙＢ_ｙ（０＜ｘ＜０．６、０．１５＜ｙ≦０．３）からなる群から選択される軟磁性層を形成する材料を用いるとよい。

次に本実施形態に係る磁気ヘテロ接合素子の形成方法について、図７を用いて説明する。図７は、本実施形態に係る磁気ヘテロ接合素子の形成方法を示すフローチャートである。
図７において、まず、ＭｇＯ（００１）の基板に対して、スパッタ法を用いて第１の強磁性層の積層工程を行う（Ｓ４１）。当該プロセス先立ち、必要に応じてＣｒ等適当な下地層を成長しても良い。第１の強磁性層の成膜後、規則化・結晶性を促進する目的で、２００℃から５００℃の間でのポストアニールを行なっても良い。

図７のように、第１の強磁性層上にＳｅ化合物半導体の積層工程を行う（Ｓ４３）。Ｓｅ化合物半導体がある程度積層されると、Ｓ４１と同様の方法で、第２の強磁性層の積層工程を行って（Ｓ４４）、積層処理を終了する。積層後、第２
の強磁性層の規則化・結晶性を促進する目的で３００℃以下でのポストアニールを行っても良い。以上の各工程を行うことで、図６に示すような全単結晶で縦型のスピン伝導構造を形成することができる。また、第１、第２の強磁性層にＳｅ化合物半導体を挟む構造とすることで、界面が高品質で無欠損、且つ平坦性を保ったヘテロ界面となり、スピンの注入効率が非常に高く、後述するスピンメモリ素子やスピントランジスタとして用いることが可能となる。

図８は、本発明の磁気ヘテロ接合素子が搭載される磁気ヘッドを搭載可能な磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。図において、磁気記録再生装置１００は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、記録用媒体ディスク１１０は、スピンドル１４０に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。磁気記録再生装置１００は、複数の媒体ディスク１１０を備えたものとしてもよい。

媒体ディスク１１０に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダー１２０は、薄膜状のサスペンション１５２の先端に取り付けられている。ここで、ヘッドスライダー１２０は、例えば、実施の形態にかかる磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。
媒体ディスク１１０が回転すると、ヘッドスライダー１２０の媒体対向面（ＡＢＳ）は媒体ディスク１１０の表面から所定の浮上量をもって保持される。あるいはスライダが媒体ディスク１１０と接触するいわゆる「接触走行型」であってもよい。

サスペンション１５２は、駆動コイルを保持するボビン部（図示せず）などを有するアクチュエータアーム１５４の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５４の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１３０が設けられている。ボイスコイルモータ１３０は、アクチュエータアーム１５４のボビン部に巻き上げられた駆動コイル（図示せず）と、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路（図示せず）とから構成される。
アクチュエータアーム１５４は、スピンドル１４０に設けられたボールベアリング（図示せず）によって保持され、ボイスコイルモータ１３０により回転摺動が自在にできるようになっている。

図９は、アクチュエータアーム１５４から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、磁気ヘッドアッセンブリ１５０は、例えば駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５４を有し、アクチュエータアーム１５４の一端にはサスペンション１５２が接続されている。
サスペンション１５２の先端には、図１０に示す磁気ヘッドを具備するヘッドスライダー１２０が取り付けられている。サスペンション１５２は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１５８を有し、このリード線１５８とヘッドスライダー１２０に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１５６は磁気ヘッドアッセンブリ１５０の電極パッドである。

図１０は、主磁極およびスピントルク発振子を模式的に示す斜視図である。図１０に示すように、スピントルク発振子１８０は、主磁極１６０の先端部１６２と補助磁極１７０のリーディング側端面１７４との間に設けられている。スピントルク発振子１８０は、非磁性導電層からなる下地層１８２、スピン注入層（第１の磁性体層）１８４、中間層１８６（非磁性体層）、発振層（第２の磁性体層）１８８、非磁性導電層からなるキャップ層１９０を、主磁極１６０側から補助磁極１７０側に順に積層して構成されている。なお、スピン注入層１８４、中間層１８６、発振層１８８の順に積層したが、発振層、中間層、スピン注入層の順に積層してもよい。

中間層１８６には、前述の非磁性体層１３に用いられるＩ－ＩＩＩ－ＶＩ_２型カルコパイライト型化合物半導体などを用いる。中間層１８６の層厚は、１原子層から３ｎｍとすることが望ましい。これによりスピン注入層１８４と発振層１８８の交換結合を最適な値に調節することが可能となる。

また、スピン注入層１８４には、例えば、第１の強磁性層１２に用いられる鉄を含有する強磁性材料を用いるとよい。発振層１８８には、例えば、第２の強磁性層１４に用いられる鉄を含有する強磁性材料を用いるとよい。
なお、スピン注入層１８４と発振層１８８には、何れか一方の層にｂｃｃ－Ｆｅ、ｂｃｃ－Ｆｅ_ｘＣｏ_１－ｘ（０＜ｘ＜０．５）、（Ｃｏ_ｘＦｅ_１－ｘ）_１－ｙＢ_ｙ（０＜ｘ＜０．５、０．１５＜ｙ≦０．３）からなる群から選択される軟磁性層を用いる場合、他方の層には鉄を含有しない強磁性材料を用いても良く、例えば膜面直方向に磁化配向したＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＣｒＴａ、ＣｏＣｒＴａＰｔ、ＣｏＣｒＴａＮｂ等のＣｏＣｒ系磁性、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、ＣｏＣｒＴａ／Ｐｄ等の人工格子磁性層、ＣｏＰｔ系やＦｅＰｔ系の合金磁性層、ＳｍＣｏ系合金磁性など、垂直配向性に優れた材料を用いても良い。

さらに、スピン注入層１８４と発振層１８８には、何れか一方の層にｂｃｃ－Ｆｅ、ｂｃｃ－Ｆｅ_１－ｘＣｏ_ｘ（０＜ｘ＜０．６）、（Ｃｏ_ｘＦｅ_１－ｘ）_１－ｙＢ_ｙ（０＜ｘ＜０．６、０．１５＜ｙ≦０．３）からなる群から選択される軟磁性層を用いる場合、他方の層にはＣｏＮｉＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＺｒＮｂ、ＦｅＮ、ＦｅＳｉ、ＦｅＡｌＳｉ等の比較的、飽和磁束密度の大きい軟磁性材料を用いても良い。
なお、発振層１８８の層厚は、５ないし２０ｎｍとすることが望ましく、スピン注入層１８４の層厚は、２ないし６０ｎｍとすることが望ましい。

スピントルク発振子１８０は、その下端面１９２がディスク対向面（図示せず）に露出し、磁気ディスク１２の表面に対して、主磁極１６０の先端面とほぼ同一の高さ位置に設けられている。すなわち、スピントルク発振子１８０の下端面１９２は、スライダ４２のディスク対向面４３と面一に、かつ、磁気ディスク１２の表面とほぼ平行に位置している。また、スピントルク発振子１８０は、ディスク対向面（図示せず）から最も離れ、下端面１９２とほぼ平行に延びる上端面１９４と、下端面から上端面まで延びる両側面１９６、１９８とを有している。
少なくとも一方の側面、ここでは、両側面１９６、１９８は、ディスク対向面に垂直な方向に対してトラック中心側、つまり、内側に傾斜している。また、主磁極１６０に対向する面のスピントルク発振子１８０の形状は、トラック幅方向に対称な台形となっている。

スピントルク発振子１８０は、制御回路基板による制御信号に従って、電源（図示せず）から主磁極１６０、補助磁極１７０に電圧を印加することにより、スピントルク発振子１８０の膜厚方向に直流電流が印加される。通電することにより、スピントルク発振子１８０の発振層１８８の磁化が回転し、高周波磁界を発生させることが可能となる。これにより、スピントルク発振子１８０は、磁気ディスク（図示せず）の記録層に高周波磁界を印加する。このように、補助磁極１７０と主磁極１６０はスピントルク発振子１８０に垂直通電する電極として働くことになる。

なお、上記の実施の形態としては、第１の強磁性層と第２の強磁性層の双方が垂直磁化層である場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、第１の強磁性層と第２の強磁性層の一方が垂直磁化層であれば足り、他方は垂直磁化層となっていなくてもよい。

本発明によれば、大きな磁気抵抗（ＭＲ）変化・０．１～３ Ωμｍ^２程度の素子抵抗を持つ磁気ヘテロ接合素子が得られる。そこで、この磁気ヘテロ接合素子は磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）の再生ヘッド、スピンロジック素子に適用できる。

≪参考文献≫
［１］ G. Kresse and J. Furthmuller, Phys. Rev. B 54, 11169 (1996).
［２］ G. Kresse and D. Joubert, Phys. Rev. B 59, 1758 (1999).
［３］ J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996).
［４］ P. E. Blochl, Phys. Rev. B 50, 17953 (1994).
［５］ G. Kresse and D. Joubert, Phys. Rev. B 50, 1758 (1999).
［６］ G. H. O. Daalderop, P. J. Kelly, and M. F. H. Schuurmans, Phys. Rev. B 41, 11919 (1990).

１１ 基板
１２ 第１の強磁性層
１３ 非磁性層（Ｉ－ＩＩＩ－ＶＩ２型カルコパイライト型化合物半導体）
１４ 第２の強磁性層
１００ 磁気記録再生装置
１１０ 記録用媒体ディスク
１２０ ヘッドスライダー
１３０ ボイスコイルモータ
１４０ スピンドル
１５０ 磁気ヘッドアッセンブリ
１６０ 主磁極
１７０ 補助磁極
１８０ スピントルク発振子

Claims (9)

1. 基板と、この基板に隣接して設けられるか、又は下地層を挟んで設けられる強磁性層と、この強磁性層に隣接して設けられる非磁性層を有すると共に、当該強磁性層と非磁性層は［００１］配向で積層した構造を有する磁気ヘテロ接合素子であって、
   鉄を含有する強磁性材料からなる前記強磁性層であって、前記鉄を含有する強磁性材料はｂｃｃ－Ｆｅ、ｂｃｃ－Ｆｅ _１－ｘ Ｃｏ _ｘ （０＜ｘ＜０．６）、（Ｃｏ _ｘ Ｆｅ _１－ｘ ） _１－ｙ Ｂ _ｙ （０＜ｘ＜０．６、０．１５＜ｙ≦０．３）からなる群から選択される軟磁性層を有し、
   ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、Ｃｕ（Ｉｎ _１－ｙ Ｇａ _ｙ ）Ｓｅ _２ （０≦ｙ≦１）、Ａｇ（Ｉｎ _１－ｙ Ｇａ _ｙ ）Ｓｅ _２ （０≦ｙ≦１）、ＡｇＩｎＳ _２ からなる群から選択される化合物半導体からなる前記非磁性層とを備え、
   前記強磁性層と前記非磁性層との接合界面における界面結晶磁気異方性定数（Ｋｓ）が０．７８ｍＪ／ｍ^２を超えると共に、前記強磁性層が垂直磁化層であることを特徴とする磁気ヘテロ接合素子。
2. 前記非磁性層の上に、上部電極又は保護層の少なくとも一方が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の磁気ヘテロ接合素子。
3. 基板上に第１の強磁性層、非磁性層、及び第２の強磁性層を［００１］配向で積層した構造を有する磁気ヘテロ接合素子であって、
   前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層の少なくとも一方は鉄を含有する強磁性材料からなると共に、前記鉄を含有する強磁性材料はｂｃｃ－Ｆｅ、ｂｃｃ－Ｆｅ _１－ｘ Ｃｏ _ｘ （０＜ｘ＜０．６）、（Ｃｏ _ｘ Ｆｅ _１－ｘ ） _１－ｙ Ｂ _ｙ （０＜ｘ＜０．６、０．１５＜ｙ≦０．３）からなる群から選択される軟磁性層を有し、
   前記非磁性層はＺｎＳｅ、ＺｎＳ、Ｃｕ（Ｉｎ _１－ｙ Ｇａ _ｙ ）Ｓｅ _２ （０≦ｙ≦１）、Ａｇ（Ｉｎ _１－ｙ Ｇａ _ｙ ）Ｓｅ _２ （０≦ｙ≦１）、ＡｇＩｎＳ _２ からなる群から選択される化合物半導体からなると共に、
   前記第１又は第２の強磁性層と前記非磁性層との接合界面における界面結晶磁気異方性定数（Ｋｓ）が０．７８ｍＪ／ｍ^２を超えると共に、前記第１又は第２の強磁性層の少なくとも一方が垂直磁化層であることを特徴とする磁気ヘテロ接合素子。
4. 前記第２の強磁性層の上に、上部電極又は保護層の少なくとも一方が設けられたことを特徴とする請求項３に記載の磁気ヘテロ接合素子。
5. 前記非磁性層の厚さは０.５～３ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の磁気ヘテロ接合素子。
6. 前記基板は、ＭｇＯ基板、シリコン基板、砒化ガリウム基板、窒化ガリウム基板、サファイア基板、ガラス基板からなる群から選択される、絶縁体または半導体の、基板であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の磁気ヘテロ接合素子。
7. 前記基板と前記強磁性層の間には、さらに下地層が設けられていると共に、
   前記下地層はＣｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｏｓ、Ｒｅ、ＭｇＯからなる群から選択される金属元素からなることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の磁気ヘテロ接合素子。
8. 請求項３乃至７の何れか１項に記載の磁気ヘテロ接合素子を用いた磁気記憶装置であって、
   前記磁気ヘテロ接合素子の一方の強磁性材料の層におけるスピンの向きを固定し、他方の強磁性材料の層におけるスピンの向きを反転可能とし、前記磁気ヘテロ接合素子の積層方向に電流を通電して、前記各層のスピンの向きに応じた値を出力することを特徴とする磁気記憶装置。
9. 請求項３乃至７の何れか１項に記載の磁気ヘテロ接合素子を用いたスピンロジック素子であって、
   前記Ｃｕ（Ｉｎ _１－ｙ Ｇａ _ｙ ）Ｓｅ _２ （０≦ｙ≦１）、Ａｇ（Ｉｎ _１－ｙ Ｇａ _ｙ ）Ｓｅ _２ （０≦ｙ≦１）、ＡｇＩｎＳ _２ からなる群から選択される化合物半導体の層にゲート電圧を印加し、前記磁気ヘテロ接合素子の一方の強磁性材料の層をソース層とし、他方の強磁性材料の層をドレイン層とすることを特徴とするスピンロジック素子。
   

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