JPH09307156A - 磁気抵抗デバイス - Google Patents
磁気抵抗デバイスInfo
- Publication number
- JPH09307156A JPH09307156A JP8120249A JP12024996A JPH09307156A JP H09307156 A JPH09307156 A JP H09307156A JP 8120249 A JP8120249 A JP 8120249A JP 12024996 A JP12024996 A JP 12024996A JP H09307156 A JPH09307156 A JP H09307156A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- region
- spin
- magnetoresistive device
- operation region
- ferromagnetic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Thin Magnetic Films (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）効果を有する動作領
域を持つトランジスタを備えた磁気抵抗デバイスにおい
て、動作領域の磁気抵抗の変化率を向上する。前記磁気
抵抗デバイスを利用する磁場センサにおいて、感度を向
上する。 【解決手段】 磁気抵抗デバイスにおいて、ＧＭＲ効果
を有する第１動作領域１２と、第１動作領域１２の磁性
を示す電子のスピン方向の一方の方向にスピン偏極方向
を持つスピン偏極電子を選択的に第１動作領域１２に注
入する第２動作領域１３と、を備える。第２動作領域１
３はスピン偏極電子を注入する非磁性金属体領域１３ｂ
及び特定方向にスピン偏極方向を持つスピン偏極電子を
選択し注入するポテンシャルバリア領域１３ａで形成さ
れる。
域を持つトランジスタを備えた磁気抵抗デバイスにおい
て、動作領域の磁気抵抗の変化率を向上する。前記磁気
抵抗デバイスを利用する磁場センサにおいて、感度を向
上する。 【解決手段】 磁気抵抗デバイスにおいて、ＧＭＲ効果
を有する第１動作領域１２と、第１動作領域１２の磁性
を示す電子のスピン方向の一方の方向にスピン偏極方向
を持つスピン偏極電子を選択的に第１動作領域１２に注
入する第２動作領域１３と、を備える。第２動作領域１
３はスピン偏極電子を注入する非磁性金属体領域１３ｂ
及び特定方向にスピン偏極方向を持つスピン偏極電子を
選択し注入するポテンシャルバリア領域１３ａで形成さ
れる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気抵抗デバイス
に関し、特に金属人工格子の巨大磁気抵抗（Ｇiant Ｍ
agnetro-Ｒesistance ：以下、単にＧＭＲという。）効
果を利用した磁気抵抗デバイスに関する。
に関し、特に金属人工格子の巨大磁気抵抗（Ｇiant Ｍ
agnetro-Ｒesistance ：以下、単にＧＭＲという。）効
果を利用した磁気抵抗デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】磁場センサとしての応用が期待される、
ＧＭＲ効果を利用したスピンバルブトランジスタ（Ｔhe
Ｓpin Ｖalve Ｔransistor ）の研究が注目されてい
る（例えば、Ｄ. Ｊ. Ｍonsma et al., Ｐhys.Ｒev. Ｌ
ett.74(1995),pp.5260. ）。図１０は従来技術に係るス
ピンバルブトランジスタの断面構造図である。図１０に
示すように、スピンバルブトランジスタはコレクタ領域
１、ベース領域２、エミッタ領域３を順次積層した、Ｓ
ｉバイポーラトランジスタに類似する３端子構造で構成
される。図中、符号Ｖebはエミッタ領域−ベース領域間
電圧、符号Ｖbcはベース領域−コレクタ領域間電圧であ
る。ベース領域２は複数の強磁性金属体領域２ａと複数
の非磁性金属体領域２ｂとがそれぞれ交互に配列された
金属人工格子薄膜で形成され、この金属人工格子薄膜は
ＧＭＲ効果を有する。強磁性金属体領域２ａはＣｏで形
成され、非磁性金属体領域２ｂはＣｕで形成される。同
図に示すスピンバルブトランジスタにおいては、ベース
領域２の強磁性金属体領域２ａ、非磁性金属体領域２ｂ
がそれぞれ上方向に向かって積層され、これらの積層膜
に対して垂直方向に電流を流すＣＰＰ（Ｃurrent Ｐer
pendicular to the Ｐlane）構造が採用される。コレク
タ領域１は半導体領域例えばＳｉで形成され、エミッタ
領域３は同様に半導体領域で形成される。
ＧＭＲ効果を利用したスピンバルブトランジスタ（Ｔhe
Ｓpin Ｖalve Ｔransistor ）の研究が注目されてい
る（例えば、Ｄ. Ｊ. Ｍonsma et al., Ｐhys.Ｒev. Ｌ
ett.74(1995),pp.5260. ）。図１０は従来技術に係るス
ピンバルブトランジスタの断面構造図である。図１０に
示すように、スピンバルブトランジスタはコレクタ領域
１、ベース領域２、エミッタ領域３を順次積層した、Ｓ
ｉバイポーラトランジスタに類似する３端子構造で構成
される。図中、符号Ｖebはエミッタ領域−ベース領域間
電圧、符号Ｖbcはベース領域−コレクタ領域間電圧であ
る。ベース領域２は複数の強磁性金属体領域２ａと複数
の非磁性金属体領域２ｂとがそれぞれ交互に配列された
金属人工格子薄膜で形成され、この金属人工格子薄膜は
ＧＭＲ効果を有する。強磁性金属体領域２ａはＣｏで形
成され、非磁性金属体領域２ｂはＣｕで形成される。同
図に示すスピンバルブトランジスタにおいては、ベース
領域２の強磁性金属体領域２ａ、非磁性金属体領域２ｂ
がそれぞれ上方向に向かって積層され、これらの積層膜
に対して垂直方向に電流を流すＣＰＰ（Ｃurrent Ｐer
pendicular to the Ｐlane）構造が採用される。コレク
タ領域１は半導体領域例えばＳｉで形成され、エミッタ
領域３は同様に半導体領域で形成される。
【０００３】図１１は前記スピンバルブトランジスタの
エネルギバンド構造図である。エミッタ領域３とベース
領域２との間の接合界面にはショットキーバリアＳBEB
が形成される。ベース領域２とコレクタ領域１との間の
接合界面にはショットキーバリアＳBBC が形成される。
フェルミ準位ＥF からの障壁高さはショットキーバリア
ＳBEB において ０. ７ｅＶ、ショットキーバリアＳ
BBC において ０. ６ｅＶにそれぞれ設定される。エミ
ッタ領域３の電子（注入キャリア）はホットエレクトロ
ン（hot electron）としてエミッタ領域３−ベース領域
２間のショットキーバリアＳBEB を通してベース領域２
に注入される。ベース領域２においては、複数の強磁性
金属体領域２ａにおいて磁性を示す電子のスピン方向の
配列の仕方に応じてベース領域２を流れる電子の散乱の
仕方が変化する。このベース領域２を流れる電子の散乱
の仕方の変化はベース抵抗の変化として表わされる。強
磁性金属体領域２ａであるＣｏ原子の３ｄ軌道に位置す
る電子は磁性を示す電子であり、この３ｄ軌道に位置す
る電子のスピン方向に応じてベース抵抗が変化する。エ
ミッタ領域１からベース領域２に注入された電子はベー
ス領域２を通過し、この通過した電子はベース領域２−
コレクタ領域１間のショットキーバリアＳBBCを通して
コレクタ領域１に注入される。
エネルギバンド構造図である。エミッタ領域３とベース
領域２との間の接合界面にはショットキーバリアＳBEB
が形成される。ベース領域２とコレクタ領域１との間の
接合界面にはショットキーバリアＳBBC が形成される。
フェルミ準位ＥF からの障壁高さはショットキーバリア
ＳBEB において ０. ７ｅＶ、ショットキーバリアＳ
BBC において ０. ６ｅＶにそれぞれ設定される。エミ
ッタ領域３の電子（注入キャリア）はホットエレクトロ
ン（hot electron）としてエミッタ領域３−ベース領域
２間のショットキーバリアＳBEB を通してベース領域２
に注入される。ベース領域２においては、複数の強磁性
金属体領域２ａにおいて磁性を示す電子のスピン方向の
配列の仕方に応じてベース領域２を流れる電子の散乱の
仕方が変化する。このベース領域２を流れる電子の散乱
の仕方の変化はベース抵抗の変化として表わされる。強
磁性金属体領域２ａであるＣｏ原子の３ｄ軌道に位置す
る電子は磁性を示す電子であり、この３ｄ軌道に位置す
る電子のスピン方向に応じてベース抵抗が変化する。エ
ミッタ領域１からベース領域２に注入された電子はベー
ス領域２を通過し、この通過した電子はベース領域２−
コレクタ領域１間のショットキーバリアＳBBCを通して
コレクタ領域１に注入される。
【０００４】前記強磁性金属体領域２ａの電子のスピン
方向は外部磁場を与えることにより制御できる。すなわ
ち、外部磁場が存在するとベース抵抗が変化するので、
このベース抵抗の変化をコレクタ電流の変化として検出
することにより外部磁場が検知できる。スピンバルブト
ランジスタはこのように磁場センサとしての応用が期待
される。コレクタ電流の相対的な変化率が大きいほど磁
場センサは高感度になり、現在報告されている磁場セン
サにおいてコレクタ電流の相対的な変化率は２５０％に
も達している。
方向は外部磁場を与えることにより制御できる。すなわ
ち、外部磁場が存在するとベース抵抗が変化するので、
このベース抵抗の変化をコレクタ電流の変化として検出
することにより外部磁場が検知できる。スピンバルブト
ランジスタはこのように磁場センサとしての応用が期待
される。コレクタ電流の相対的な変化率が大きいほど磁
場センサは高感度になり、現在報告されている磁場セン
サにおいてコレクタ電流の相対的な変化率は２５０％に
も達している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術に係るスピンバルブトランジスタにおいては、ベース
領域２の強磁性金属体領域２ａの電子のスピン方向に対
して、エミッタ領域３からベース領域２に様々なスピン
偏極方向を持つ電子が注入される。このため、ベース領
域２においてベース抵抗の変化率が小さく、コレクタ電
流の相対的な変化率が充分に得られないので、高感度の
磁場センサが実現できない、という課題があった。
術に係るスピンバルブトランジスタにおいては、ベース
領域２の強磁性金属体領域２ａの電子のスピン方向に対
して、エミッタ領域３からベース領域２に様々なスピン
偏極方向を持つ電子が注入される。このため、ベース領
域２においてベース抵抗の変化率が小さく、コレクタ電
流の相対的な変化率が充分に得られないので、高感度の
磁場センサが実現できない、という課題があった。
【０００６】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものである。従って、本発明の目的は、ＧＭＲ効果を
有する動作領域を持つトランジスタを備えた磁気抵抗デ
バイスにおいて、前記動作領域の磁気抵抗の変化率を向
上することにある。さらに、本発明の目的は、前記磁気
抵抗デバイスを利用する磁場センサにおいて、感度を向
上することにある。
たものである。従って、本発明の目的は、ＧＭＲ効果を
有する動作領域を持つトランジスタを備えた磁気抵抗デ
バイスにおいて、前記動作領域の磁気抵抗の変化率を向
上することにある。さらに、本発明の目的は、前記磁気
抵抗デバイスを利用する磁場センサにおいて、感度を向
上することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に記載された発明は、磁気抵抗デバイスに
おいて、磁気抵抗を有する第１動作領域と、前記第１動
作領域の磁性を示す電子のスピン方向の一方の方向にス
ピン偏極方向を持つスピン偏極電子を選択的に前記第１
動作領域に注入する第２動作領域と、を備えたことを特
徴とする。請求項１に記載された発明においては、特定
方向にスピン偏極方向を持つスピン偏極電子が第２動作
領域から磁気抵抗を有する第１動作領域に選択的に注入
される。第１動作領域の電子（磁性を示す電子）のスピ
ン方向と第２動作領域から第１動作領域に注入されるス
ピン偏極電子のスピン方向とが一致する（双方のスピン
方向が平行になる）ことにより、第１動作領域を流れる
注入されたスピン偏極電子の散乱は減少し、第１動作領
域の抵抗は減少する。一方、第１動作領域の電子のスピ
ン方向に変化を与え、第１動作領域の電子のスピン方向
と注入されたスピン偏極電子のスピン偏極方向とが不一
致（双方のスピン方向が反平行になる）の場合には、第
１動作領域を流れる注入されたスピン偏極電子の散乱が
顕著になり、第１動作領域の抵抗は増大する。従って、
第１動作領域の電子のスピン方向に対してスピン偏極電
子のスピン偏極方向を一致させた場合と不一致の場合と
の間に大きな抵抗変化が実現できる。第１動作領域の電
子のスピン方向は外部磁場によって変化するので、逆に
第１動作領域の抵抗変化を測定することにより外部磁場
が測定でき、高感度の磁場センサが実現できる。
に、請求項１に記載された発明は、磁気抵抗デバイスに
おいて、磁気抵抗を有する第１動作領域と、前記第１動
作領域の磁性を示す電子のスピン方向の一方の方向にス
ピン偏極方向を持つスピン偏極電子を選択的に前記第１
動作領域に注入する第２動作領域と、を備えたことを特
徴とする。請求項１に記載された発明においては、特定
方向にスピン偏極方向を持つスピン偏極電子が第２動作
領域から磁気抵抗を有する第１動作領域に選択的に注入
される。第１動作領域の電子（磁性を示す電子）のスピ
ン方向と第２動作領域から第１動作領域に注入されるス
ピン偏極電子のスピン方向とが一致する（双方のスピン
方向が平行になる）ことにより、第１動作領域を流れる
注入されたスピン偏極電子の散乱は減少し、第１動作領
域の抵抗は減少する。一方、第１動作領域の電子のスピ
ン方向に変化を与え、第１動作領域の電子のスピン方向
と注入されたスピン偏極電子のスピン偏極方向とが不一
致（双方のスピン方向が反平行になる）の場合には、第
１動作領域を流れる注入されたスピン偏極電子の散乱が
顕著になり、第１動作領域の抵抗は増大する。従って、
第１動作領域の電子のスピン方向に対してスピン偏極電
子のスピン偏極方向を一致させた場合と不一致の場合と
の間に大きな抵抗変化が実現できる。第１動作領域の電
子のスピン方向は外部磁場によって変化するので、逆に
第１動作領域の抵抗変化を測定することにより外部磁場
が測定でき、高感度の磁場センサが実現できる。
【０００８】請求項２に記載された発明は、前記請求項
１に記載された磁気抵抗デバイスにおいて、前記第１動
作領域が複数の強磁性金属体領域、複数の非磁性金属体
領域のそれぞれを交互に配列した金属超格子薄膜で形成
されたことを特徴とする。
１に記載された磁気抵抗デバイスにおいて、前記第１動
作領域が複数の強磁性金属体領域、複数の非磁性金属体
領域のそれぞれを交互に配列した金属超格子薄膜で形成
されたことを特徴とする。
【０００９】請求項３に記載された発明は、前記請求項
２に記載された磁気抵抗デバイスにおいて、前記第１動
作領域の強磁性金属体領域／非磁性金属体領域がＣｏ／
Ｃｕ、Ｃｏ／Ａｇ、Ｆｅ／Ｃｕ、Ｆｅ／Ｃｒ、Ｎｉ／Ａ
ｇ、ＮｉＦｅ／Ｃｕのいずれかで形成されることを特徴
とする。
２に記載された磁気抵抗デバイスにおいて、前記第１動
作領域の強磁性金属体領域／非磁性金属体領域がＣｏ／
Ｃｕ、Ｃｏ／Ａｇ、Ｆｅ／Ｃｕ、Ｆｅ／Ｃｒ、Ｎｉ／Ａ
ｇ、ＮｉＦｅ／Ｃｕのいずれかで形成されることを特徴
とする。
【００１０】請求項４に記載された発明は、前記請求項
３に記載された磁気抵抗デバイスにおいて、前記第２動
作領域が、互いに異なるスピン偏極方向を持つ複数のス
ピン偏極電子を注入する非磁性金属体領域又は半導体領
域と、前記非磁性金属体領域又は半導体領域から第１動
作領域に前記特定方向のスピン偏極方向を持つスピン偏
極電子を選択的に注入するポテンシャルバリア領域と、
を備えたことを特徴とする。前記請求項４に記載された
発明においては、第２動作領域の非磁性金属体領域又は
半導体領域から第１動作領域に注入されるスピン偏極電
子のうち、特定方向のスピン偏極方向を持つスピン偏極
電子が第２動作領域のポテンシャルバリア領域により選
択的に注入される。第２動作領域のポテンシャルバリア
領域は特定方向のスピン偏極方向を持つスピン偏極電子
のみを、又は特定方向のスピン偏極方向を持つスピン偏
極電子を特定方向以外のスピン偏極方向を持つスピン偏
極電子に比べて多量に注入する機能を備える。
３に記載された磁気抵抗デバイスにおいて、前記第２動
作領域が、互いに異なるスピン偏極方向を持つ複数のス
ピン偏極電子を注入する非磁性金属体領域又は半導体領
域と、前記非磁性金属体領域又は半導体領域から第１動
作領域に前記特定方向のスピン偏極方向を持つスピン偏
極電子を選択的に注入するポテンシャルバリア領域と、
を備えたことを特徴とする。前記請求項４に記載された
発明においては、第２動作領域の非磁性金属体領域又は
半導体領域から第１動作領域に注入されるスピン偏極電
子のうち、特定方向のスピン偏極方向を持つスピン偏極
電子が第２動作領域のポテンシャルバリア領域により選
択的に注入される。第２動作領域のポテンシャルバリア
領域は特定方向のスピン偏極方向を持つスピン偏極電子
のみを、又は特定方向のスピン偏極方向を持つスピン偏
極電子を特定方向以外のスピン偏極方向を持つスピン偏
極電子に比べて多量に注入する機能を備える。
【００１１】請求項５に記載された発明は、前記請求項
４に記載された磁気抵抗デバイスにおいて、前記第２動
作領域のポテンシャルバリア領域は、強磁性絶縁体領域
又は強磁性半導体領域で形成されたことを特徴とする。
前記請求項５に記載された発明においては、ポテンシャ
ルバリア領域の強磁性絶縁体又は強磁性半導体は前記第
２動作領域の非磁性金属体領域又は半導体領域から第１
動作領域に注入されるスピン偏極電子のスピン偏極方向
に応じてポテンシャルバリア領域の障壁高さ（バリアハ
イト）が変化する。例えば、注入されるスピン偏極電子
のスピン偏極方向が上向きであるアップスピン偏極電子
の場合には、このアップスピン偏極電子のスピン偏極方
向に対応してポテンシャルバリア領域の障壁高さが低く
なる。従って、第２動作領域から第１動作領域にはアッ
プスピン偏極電子が選択的に注入される。また、注入さ
れるスピン偏極電子のスピン偏極方向が下向きであるダ
ウンスピン偏極電子の場合には、このダウンスピン偏極
電子のスピン偏極方向に対応してポテンシャルバリア領
域の障壁高さが高くなる。ダウンスピン偏極電子におい
ては第２動作領域から第１動作領域への注入が抑制又は
阻止される。すなわち、スピンフィルタ効果が実現でき
る。
４に記載された磁気抵抗デバイスにおいて、前記第２動
作領域のポテンシャルバリア領域は、強磁性絶縁体領域
又は強磁性半導体領域で形成されたことを特徴とする。
前記請求項５に記載された発明においては、ポテンシャ
ルバリア領域の強磁性絶縁体又は強磁性半導体は前記第
２動作領域の非磁性金属体領域又は半導体領域から第１
動作領域に注入されるスピン偏極電子のスピン偏極方向
に応じてポテンシャルバリア領域の障壁高さ（バリアハ
イト）が変化する。例えば、注入されるスピン偏極電子
のスピン偏極方向が上向きであるアップスピン偏極電子
の場合には、このアップスピン偏極電子のスピン偏極方
向に対応してポテンシャルバリア領域の障壁高さが低く
なる。従って、第２動作領域から第１動作領域にはアッ
プスピン偏極電子が選択的に注入される。また、注入さ
れるスピン偏極電子のスピン偏極方向が下向きであるダ
ウンスピン偏極電子の場合には、このダウンスピン偏極
電子のスピン偏極方向に対応してポテンシャルバリア領
域の障壁高さが高くなる。ダウンスピン偏極電子におい
ては第２動作領域から第１動作領域への注入が抑制又は
阻止される。すなわち、スピンフィルタ効果が実現でき
る。
【００１２】請求項６に記載された発明は、前記請求項
５に記載された磁気抵抗デバイスにおいて、前記第２動
作領域の非磁性金属体領域はＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕの
いずれかで形成され、前記ポテンシャルバリア領域の強
磁性絶縁体領域はＥｕＳ、ＥｕＯのいずれか、強磁性半
導体領域はＥｕＢ6 で形成されることを特徴とする。
５に記載された磁気抵抗デバイスにおいて、前記第２動
作領域の非磁性金属体領域はＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕの
いずれかで形成され、前記ポテンシャルバリア領域の強
磁性絶縁体領域はＥｕＳ、ＥｕＯのいずれか、強磁性半
導体領域はＥｕＢ6 で形成されることを特徴とする。
【００１３】請求項７に記載された発明は、前記請求項
１に記載された磁気抵抗デバイスにおいて、前記第１動
作領域が、Ｌａ1-x Ｓｒx ＭｎＯ3 （０. １６＜ｘ＜
０. ５０）、Ｐｒ1-x Ｃａx ＭｎＯ3 、Ｎｄ0.5 Ｓｒ
0.5 ＭｎＯ3 、（Ｌａ0.068 Ｓｎ0.937 ）1/2 Ｓｒ1/2
ＭｎＯ3 のいずれかのペロブスカイト結晶構造を有する
Ｍｎ酸化物で形成され、前記第２動作領域が、互いに異
なるスピン偏極方向を持つ複数のスピン偏極電子を前記
第１動作領域に注入するＬａ1-x Ｓｒ1-x ＴｉＯ3から
なる半導体領域と、前記半導体領域から第１動作領域に
前記特定方向のスピン偏極電子を選択的に注入するＬａ
1-x Ｓｒx ＭｎＯ3 （０. ０９＜ｘ＜０. １６）からな
る強磁性絶縁体領域のポテンシャルバリア領域とで形成
されることを特徴とする。前記請求項７に記載された発
明においては、複数の強磁性金属体領域と複数の非磁性
金属体領域とを交互に配列した人工的な金属超格子薄膜
に対して、Ｍｎ酸化物の結晶構造自体が磁気抵抗を有
し、このＭｎ酸化物により第１動作領域が形成できる。
Ｍｎ酸化物はペロブスカイト結晶構造を有しているの
で、このＭｎ酸化物からなる第１動作領域には同様なペ
ロブスカイト結晶構造を有する第２動作領域の半導体領
域、強磁性絶縁体領域（ポテンシャルバリア領域）が順
次エピタキシャル成長により成膜できる（逆方向の成膜
も可能である。）。従って、磁気抵抗デバイスの動作領
域がすべて同様の結晶構造で形成できる。特に、磁気抵
抗デバイスの製造プロセスにおいては同一の結晶成長室
内で動作領域のすべてが形成できるので、それぞれの動
作領域の膜質の向上、膜厚の制御、結晶構造の制御、動
作領域間の接合状態の向上等が容易に実現でき、安定し
た磁気抵抗特性が得られるとともに優れた磁気抵抗特性
を有する磁気抵抗デバイスが実現できる。
１に記載された磁気抵抗デバイスにおいて、前記第１動
作領域が、Ｌａ1-x Ｓｒx ＭｎＯ3 （０. １６＜ｘ＜
０. ５０）、Ｐｒ1-x Ｃａx ＭｎＯ3 、Ｎｄ0.5 Ｓｒ
0.5 ＭｎＯ3 、（Ｌａ0.068 Ｓｎ0.937 ）1/2 Ｓｒ1/2
ＭｎＯ3 のいずれかのペロブスカイト結晶構造を有する
Ｍｎ酸化物で形成され、前記第２動作領域が、互いに異
なるスピン偏極方向を持つ複数のスピン偏極電子を前記
第１動作領域に注入するＬａ1-x Ｓｒ1-x ＴｉＯ3から
なる半導体領域と、前記半導体領域から第１動作領域に
前記特定方向のスピン偏極電子を選択的に注入するＬａ
1-x Ｓｒx ＭｎＯ3 （０. ０９＜ｘ＜０. １６）からな
る強磁性絶縁体領域のポテンシャルバリア領域とで形成
されることを特徴とする。前記請求項７に記載された発
明においては、複数の強磁性金属体領域と複数の非磁性
金属体領域とを交互に配列した人工的な金属超格子薄膜
に対して、Ｍｎ酸化物の結晶構造自体が磁気抵抗を有
し、このＭｎ酸化物により第１動作領域が形成できる。
Ｍｎ酸化物はペロブスカイト結晶構造を有しているの
で、このＭｎ酸化物からなる第１動作領域には同様なペ
ロブスカイト結晶構造を有する第２動作領域の半導体領
域、強磁性絶縁体領域（ポテンシャルバリア領域）が順
次エピタキシャル成長により成膜できる（逆方向の成膜
も可能である。）。従って、磁気抵抗デバイスの動作領
域がすべて同様の結晶構造で形成できる。特に、磁気抵
抗デバイスの製造プロセスにおいては同一の結晶成長室
内で動作領域のすべてが形成できるので、それぞれの動
作領域の膜質の向上、膜厚の制御、結晶構造の制御、動
作領域間の接合状態の向上等が容易に実現でき、安定し
た磁気抵抗特性が得られるとともに優れた磁気抵抗特性
を有する磁気抵抗デバイスが実現できる。
【００１４】請求項８に記載された発明は、前記請求項
３に記載された磁気抵抗デバイスにおいて、前記第２動
作領域が、特定方向のスピン偏極方向を持つスピン偏極
電子を選択的に前記第１動作領域に注入する強磁性金属
体領域と、前記強磁性金属体領域から第１動作領域に注
入される前記特定方向のスピン偏極電子の注入量を制御
するポテンシャルバリア領域と、を備えたことを特徴と
する。前記請求項８に記載された発明においては、第２
動作領域の強磁性金属体領域に存在するスピン偏極電子
のスピン偏極方向は特定方向に限られるので、この特定
方向のスピン偏極方向を持つスピン偏極電子が第２動作
領域のポテンシャルバリア領域による障壁高さの制御に
より第１動作領域に注入できる。第２動作領域のポテン
シャルバリア領域はスピン偏極電子の注入量を制御する
単なる障壁としての機能を備えていればよいので、ポテ
ンシャルバリア領域の材料選択範囲が拡張される。
３に記載された磁気抵抗デバイスにおいて、前記第２動
作領域が、特定方向のスピン偏極方向を持つスピン偏極
電子を選択的に前記第１動作領域に注入する強磁性金属
体領域と、前記強磁性金属体領域から第１動作領域に注
入される前記特定方向のスピン偏極電子の注入量を制御
するポテンシャルバリア領域と、を備えたことを特徴と
する。前記請求項８に記載された発明においては、第２
動作領域の強磁性金属体領域に存在するスピン偏極電子
のスピン偏極方向は特定方向に限られるので、この特定
方向のスピン偏極方向を持つスピン偏極電子が第２動作
領域のポテンシャルバリア領域による障壁高さの制御に
より第１動作領域に注入できる。第２動作領域のポテン
シャルバリア領域はスピン偏極電子の注入量を制御する
単なる障壁としての機能を備えていればよいので、ポテ
ンシャルバリア領域の材料選択範囲が拡張される。
【００１５】請求項９に記載された発明は、前記請求項
８に記載された磁気抵抗デバイスにおいて、前記第２動
作領域の強磁性金属体領域がＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれ
かで形成され、前記ポテンシャルバリア領域がＭｇＯ、
Ａｌ2 Ｏ3 のいずかの非磁性絶縁体領域、又はＥｕＳ、
ＥｕＯのいずれかの強磁性絶縁体領域で形成されること
を特徴とする。
８に記載された磁気抵抗デバイスにおいて、前記第２動
作領域の強磁性金属体領域がＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれ
かで形成され、前記ポテンシャルバリア領域がＭｇＯ、
Ａｌ2 Ｏ3 のいずかの非磁性絶縁体領域、又はＥｕＳ、
ＥｕＯのいずれかの強磁性絶縁体領域で形成されること
を特徴とする。
【００１６】請求項１０に記載された発明は、前記請求
項２又は請求項８に記載された磁気抵抗デバイスにおい
て、前記第１動作領域には前記第２動作領域から第１動
作領域に注入されたスピン偏極電子を収集する第３動作
領域が接合されることを特徴とする。
項２又は請求項８に記載された磁気抵抗デバイスにおい
て、前記第１動作領域には前記第２動作領域から第１動
作領域に注入されたスピン偏極電子を収集する第３動作
領域が接合されることを特徴とする。
【００１７】請求項１１に記載された発明は、前記請求
項１０に記載された磁気抵抗デバイスにおいて、前記第
３動作領域がＳｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、Ｌａ1-x Ｓｒ
x ＭｎＯ3 のいずれかの半導体領域で形成されることを
特徴とする。
項１０に記載された磁気抵抗デバイスにおいて、前記第
３動作領域がＳｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、Ｌａ1-x Ｓｒ
x ＭｎＯ3 のいずれかの半導体領域で形成されることを
特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態である
磁気抵抗デバイスについて、図面を参照し説明する。
磁気抵抗デバイスについて、図面を参照し説明する。
【００１９】実施形態１ ＜トランジスタの構造＞図１は本発明の実施形態１に係
る磁気抵抗デバイスに搭載されたスピンバルブトランジ
スタの断面構造図である。図１に示すように、スピンバ
ルブトランジスタは第３動作領域１１、第１動作領域１
２、第２動作領域１３を順次積層した３端子構造で構成
される。図中、符号Ｖ１は第１動作領域−第２動作領域
間電源、符号Ｖ12は第１動作領域−第２動作領域間電圧
である。符号Ｖ２は第２動作領域−第３動作領域間電
源、符号Ｖ23は第２動作領域−第３動作領域間電圧であ
る。
る磁気抵抗デバイスに搭載されたスピンバルブトランジ
スタの断面構造図である。図１に示すように、スピンバ
ルブトランジスタは第３動作領域１１、第１動作領域１
２、第２動作領域１３を順次積層した３端子構造で構成
される。図中、符号Ｖ１は第１動作領域−第２動作領域
間電源、符号Ｖ12は第１動作領域−第２動作領域間電圧
である。符号Ｖ２は第２動作領域−第３動作領域間電
源、符号Ｖ23は第２動作領域−第３動作領域間電圧であ
る。
【００２０】前記第１動作領域１２は複数の強磁性金属
体領域１２ａと複数の非磁性金属体領域１２ｂとがそれ
ぞれ交互に配列された金属人工格子薄膜で形成され、こ
の金属人工格子薄膜はＧＭＲ効果を有する。同図に示す
スピンバルブトランジスタにおいては、第１動作領域１
２の強磁性金属体領域１２ａ、非磁性金属体領域１２ｂ
がそれぞれ上方向に向かって積層され、これらの積層膜
に対して垂直方向に電流を流すＣＰＰ構造が採用され
る。本実施形態において、強磁性金属体領域１２ａはＣ
ｏで形成され、非磁性金属体領域１２ｂはＣｕで形成さ
れる。Ｃｏ／Ｃｕで形成される金属人工格子薄膜は現在
最も抵抗変化率が高い材料の組み合わせとして知られて
いる。本実施形態において、Ｃｏは例えば４層の薄膜で
形成され、それぞれのＣｏ薄膜は １. ５ｎｍ程度の膜
厚で形成される。Ｃｕは例えばＣｏと同様の層数である
４層の薄膜で形成され、それぞれのＣｕ薄膜は ２. ０
ｎｍで形成される。つまり、第１動作領域１２は４層の
Ｃｏ薄膜、４層のＣｕ薄膜のそれぞれを交互に重ね合せ
た合計８層の薄膜で形成され、第１動作領域１２の合計
の寸法は１４ｎｍで形成される。強磁性金属体領域１２
ａはＧＭＲ効果を示すので膜厚、層数は重要な要素であ
るが、強磁性金属体領域１２ａの膜厚、層数及び前述の
非磁性金属体領域１２ｂの膜厚、層数はいずれも前述の
例に限定されない。さらに、第１動作領域１２の強磁性
金属体領域１２ａと非磁性金属体領域１２ｂとの材料の
組み合わせとしては、他にＣｏ／Ａｇ、Ｆｅ／Ｃｕ、Ｆ
ｅ／Ｃｒ、Ｎｉ／Ａｇ、ＮｉＦｅ／Ｃｕのいずれかが使
用できる。
体領域１２ａと複数の非磁性金属体領域１２ｂとがそれ
ぞれ交互に配列された金属人工格子薄膜で形成され、こ
の金属人工格子薄膜はＧＭＲ効果を有する。同図に示す
スピンバルブトランジスタにおいては、第１動作領域１
２の強磁性金属体領域１２ａ、非磁性金属体領域１２ｂ
がそれぞれ上方向に向かって積層され、これらの積層膜
に対して垂直方向に電流を流すＣＰＰ構造が採用され
る。本実施形態において、強磁性金属体領域１２ａはＣ
ｏで形成され、非磁性金属体領域１２ｂはＣｕで形成さ
れる。Ｃｏ／Ｃｕで形成される金属人工格子薄膜は現在
最も抵抗変化率が高い材料の組み合わせとして知られて
いる。本実施形態において、Ｃｏは例えば４層の薄膜で
形成され、それぞれのＣｏ薄膜は １. ５ｎｍ程度の膜
厚で形成される。Ｃｕは例えばＣｏと同様の層数である
４層の薄膜で形成され、それぞれのＣｕ薄膜は ２. ０
ｎｍで形成される。つまり、第１動作領域１２は４層の
Ｃｏ薄膜、４層のＣｕ薄膜のそれぞれを交互に重ね合せ
た合計８層の薄膜で形成され、第１動作領域１２の合計
の寸法は１４ｎｍで形成される。強磁性金属体領域１２
ａはＧＭＲ効果を示すので膜厚、層数は重要な要素であ
るが、強磁性金属体領域１２ａの膜厚、層数及び前述の
非磁性金属体領域１２ｂの膜厚、層数はいずれも前述の
例に限定されない。さらに、第１動作領域１２の強磁性
金属体領域１２ａと非磁性金属体領域１２ｂとの材料の
組み合わせとしては、他にＣｏ／Ａｇ、Ｆｅ／Ｃｕ、Ｆ
ｅ／Ｃｒ、Ｎｉ／Ａｇ、ＮｉＦｅ／Ｃｕのいずれかが使
用できる。
【００２１】前記第２動作領域１３は前記第１動作領域
１２の強磁性金属体領域１２ａの磁性を示す電子（３ｄ
軌道の電子）のスピン方向の一方の方向にスピン偏極方
向を持つスピン偏極電子を選択的に前記第１動作領域１
２に注入する機能を備える。この第２動作領域１３は非
磁性金属体領域１３ｂ及びポテンシャルバリア領域（ト
ンネルバリア領域）１３ａで形成される。
１２の強磁性金属体領域１２ａの磁性を示す電子（３ｄ
軌道の電子）のスピン方向の一方の方向にスピン偏極方
向を持つスピン偏極電子を選択的に前記第１動作領域１
２に注入する機能を備える。この第２動作領域１３は非
磁性金属体領域１３ｂ及びポテンシャルバリア領域（ト
ンネルバリア領域）１３ａで形成される。
【００２２】図２は前記スピンバルブトランジスタのエ
ネルギバンド構造図である。第２動作領域１３の非磁性
金属体領域１３ｂは互いに異なるスピン偏極方向を持つ
複数のスピン偏極電子を前記第１動作領域１２に注入す
る。同図に示すように、非磁性金属体領域１３ｂから第
１動作領域１２にはスピン偏極方向が上向きであるアッ
プスピン偏極電子ｅup及びスピン偏極方向が下向きであ
るダウンスピン偏極電子ｅdwonが注入される。本実施形
態において非磁性金属体領域１３ｂはＡｕで形成され
る。また、非磁性金属体領域１３ｂとしては他にＡｇ、
Ａｌ、Ｃｕのいずれかが使用できる。
ネルギバンド構造図である。第２動作領域１３の非磁性
金属体領域１３ｂは互いに異なるスピン偏極方向を持つ
複数のスピン偏極電子を前記第１動作領域１２に注入す
る。同図に示すように、非磁性金属体領域１３ｂから第
１動作領域１２にはスピン偏極方向が上向きであるアッ
プスピン偏極電子ｅup及びスピン偏極方向が下向きであ
るダウンスピン偏極電子ｅdwonが注入される。本実施形
態において非磁性金属体領域１３ｂはＡｕで形成され
る。また、非磁性金属体領域１３ｂとしては他にＡｇ、
Ａｌ、Ｃｕのいずれかが使用できる。
【００２３】前記第２動作領域１３のポテンシャルバリ
ア領域１３ａは第１動作領域１２と第２動作領域１３の
非磁性金属体領域１３ｂとの間に形成される。このポテ
ンシャルバリア領域１３ａは非磁性金属体領域１３ｂか
ら第１動作領域１２に前記特定方向のスピン偏極方向を
持つスピン偏極電子を選択的に注入する。ポテンシャル
バリア領域１３ａは強磁性絶縁体領域又は強磁性半導体
領域で形成される。強磁性絶縁体領域又は強磁性半導体
領域で形成されるポテンシャルバリア領域１３ａは、図
２に示すように、第２動作領域１３の非磁性金属体領域
１３ｂから第１動作領域１２に注入されるスピン偏極電
子のスピン偏極方向に応じてポテンシャルバリア領域１
３ａの障壁高さ（バリアハイト）が変化する。例えば、
注入されるスピン偏極電子がアップスピン偏極電子ｅup
の場合には、このアップスピン偏極電子ｅupに対応して
ポテンシャルバリア領域１３ａの障壁高さＢupは低くな
る。従って、第２動作領域１３から第１動作領域１２に
はアップスピン偏極電子ｅupが選択的に（アップスピン
偏極電子ｅupのみが、又アップスピン偏極電子ｅupがダ
ウンスピン偏極電子ｅdwonに比べて多量に）注入され
る。また、注入されるスピン偏極電子がダウンスピン偏
極電子ｅdwonの場合には、このダウンスピン偏極電子ｅ
dwonのスピン偏極方向に対応してポテンシャルバリア領
域１３ａの障壁高さＢdwonは高くなる。ダウンスピン偏
極電子ｅdwonにおいては第２動作領域１３から第１動作
領域１２への注入が抑制又は阻止される。すなわち、ポ
テンシャルバリア領域１３ａにおいてスピンフィルタ効
果が実現できる。本実施形態において、ポテンシャルバ
リア領域１３ａの強磁性絶縁体領域はＥｕＳで形成され
る。また、強磁性絶縁体領域としては他にＥｕＯが使用
でき、さらに強磁性半導体領域としてはＥｕＢ6 が使用
できる。
ア領域１３ａは第１動作領域１２と第２動作領域１３の
非磁性金属体領域１３ｂとの間に形成される。このポテ
ンシャルバリア領域１３ａは非磁性金属体領域１３ｂか
ら第１動作領域１２に前記特定方向のスピン偏極方向を
持つスピン偏極電子を選択的に注入する。ポテンシャル
バリア領域１３ａは強磁性絶縁体領域又は強磁性半導体
領域で形成される。強磁性絶縁体領域又は強磁性半導体
領域で形成されるポテンシャルバリア領域１３ａは、図
２に示すように、第２動作領域１３の非磁性金属体領域
１３ｂから第１動作領域１２に注入されるスピン偏極電
子のスピン偏極方向に応じてポテンシャルバリア領域１
３ａの障壁高さ（バリアハイト）が変化する。例えば、
注入されるスピン偏極電子がアップスピン偏極電子ｅup
の場合には、このアップスピン偏極電子ｅupに対応して
ポテンシャルバリア領域１３ａの障壁高さＢupは低くな
る。従って、第２動作領域１３から第１動作領域１２に
はアップスピン偏極電子ｅupが選択的に（アップスピン
偏極電子ｅupのみが、又アップスピン偏極電子ｅupがダ
ウンスピン偏極電子ｅdwonに比べて多量に）注入され
る。また、注入されるスピン偏極電子がダウンスピン偏
極電子ｅdwonの場合には、このダウンスピン偏極電子ｅ
dwonのスピン偏極方向に対応してポテンシャルバリア領
域１３ａの障壁高さＢdwonは高くなる。ダウンスピン偏
極電子ｅdwonにおいては第２動作領域１３から第１動作
領域１２への注入が抑制又は阻止される。すなわち、ポ
テンシャルバリア領域１３ａにおいてスピンフィルタ効
果が実現できる。本実施形態において、ポテンシャルバ
リア領域１３ａの強磁性絶縁体領域はＥｕＳで形成され
る。また、強磁性絶縁体領域としては他にＥｕＯが使用
でき、さらに強磁性半導体領域としてはＥｕＢ6 が使用
できる。
【００２４】前記第３動作領域１１においては第２動作
領域１３から第１動作領域１２に注入されたスピン偏極
電子（アップスピン偏極電子ｅup）が注入される。図２
に示すように、第１動作領域１２と第３動作領域１１と
の間はショットキーバリア領域ＳB23 を介して接合され
る。本実施形態において第３動作領域１１は半導体領
域、具体的にはＳｉで形成される。また、第３動作領域
としては他の半導体領域としてＧａＡｓ、ＩｎＡｓのい
ずれかが使用できる。
領域１３から第１動作領域１２に注入されたスピン偏極
電子（アップスピン偏極電子ｅup）が注入される。図２
に示すように、第１動作領域１２と第３動作領域１１と
の間はショットキーバリア領域ＳB23 を介して接合され
る。本実施形態において第３動作領域１１は半導体領
域、具体的にはＳｉで形成される。また、第３動作領域
としては他の半導体領域としてＧａＡｓ、ＩｎＡｓのい
ずれかが使用できる。
【００２５】＜動作原理＞前述のスピンバルブトランジ
スタの動作原理は以下の通りである。図２に示すよう
に、第２動作領域１３の非磁性金属体領域１３ｂから第
１動作領域１２にアップスピン偏極電子ｅup及びダウン
スピン偏極電子ｅdwonが注入されようとする。アップス
ピン偏極電子ｅupに対して第２動作領域１３のポテンシ
ャルバリア領域１３ａの障壁高さＢupは低くなるので、
第１動作領域１２にはアップスピン偏極電子ｅupが注入
される。一方、ダウンスピン偏極電子ｅdwonに対してポ
テンシャルバリア領域１３ａの障壁高さＢdwonは高くな
るので、ダウンスピン偏極電子ｅdwonの注入は抑制され
又は阻止される。すなわち、ポテンシャルバリア領域１
３ａのスピンフィルタ効果によりアップスピン偏極電子
ｅupが第１動作領域に選択的に注入される。
スタの動作原理は以下の通りである。図２に示すよう
に、第２動作領域１３の非磁性金属体領域１３ｂから第
１動作領域１２にアップスピン偏極電子ｅup及びダウン
スピン偏極電子ｅdwonが注入されようとする。アップス
ピン偏極電子ｅupに対して第２動作領域１３のポテンシ
ャルバリア領域１３ａの障壁高さＢupは低くなるので、
第１動作領域１２にはアップスピン偏極電子ｅupが注入
される。一方、ダウンスピン偏極電子ｅdwonに対してポ
テンシャルバリア領域１３ａの障壁高さＢdwonは高くな
るので、ダウンスピン偏極電子ｅdwonの注入は抑制され
又は阻止される。すなわち、ポテンシャルバリア領域１
３ａのスピンフィルタ効果によりアップスピン偏極電子
ｅupが第１動作領域に選択的に注入される。
【００２６】第１動作領域１２に注入されたアップスピ
ン偏極電子ｅupは強磁性金属体領域１２ａ及び非磁性金
属体領域１２ｂで形成された金属超格子薄膜を通過する
際にＧＭＲ効果により強磁性金属体領域１２ａの磁性を
示す電子（３ｄ軌道の電子）のスピン方向に応じて抵抗
が大きく変化する。図１に示すように、第１動作領域
（金属超格子薄膜）１２に外部磁場Ｈを印加し強磁性金
属体領域１２ａの電子のスピン方向に変化を与えること
により、第１動作領域１２に流れる電流が変調され、第
３動作領域１１から取り出される電流が変調される。ま
た、逆に、第１動作領域に流れる電流変化を検出するこ
とにより、外部磁場Ｈの検出が行える。
ン偏極電子ｅupは強磁性金属体領域１２ａ及び非磁性金
属体領域１２ｂで形成された金属超格子薄膜を通過する
際にＧＭＲ効果により強磁性金属体領域１２ａの磁性を
示す電子（３ｄ軌道の電子）のスピン方向に応じて抵抗
が大きく変化する。図１に示すように、第１動作領域
（金属超格子薄膜）１２に外部磁場Ｈを印加し強磁性金
属体領域１２ａの電子のスピン方向に変化を与えること
により、第１動作領域１２に流れる電流が変調され、第
３動作領域１１から取り出される電流が変調される。ま
た、逆に、第１動作領域に流れる電流変化を検出するこ
とにより、外部磁場Ｈの検出が行える。
【００２７】＜第１動作領域の抵抗変化＞図３（Ａ）は
従来技術に係るスピンバルブトランジスタの抵抗変化を
説明するベース領域２の概略構成図である。図３（Ａ）
に示すように、スピンバルブトランジスタのベース領域
２に外部磁場Ｈが印加されない場合には、最も安定なエ
ネルギ状態が確保され、強磁性金属体領域２ａの磁性を
示す電子のスピン方向がアップスピン状態の電子ｓ12up
とダウンスピン状態の電子ｓ12dwonとが強磁性金属体領
域２ａの配列方向に沿って交互に存在する（反平行状
態）。従来技術に係るスピンパルブトランジスタにおい
ては、エミッタ領域３からベース領域２にはエミッタ領
域３のアップスピン偏極電子ｅup、ダウンスピン偏極電
子ｅdwonがいずれも注入される。エミッタ領域３のスピ
ン偏極電子のスピン偏極方向とベース領域２の強磁性金
属体領域２ａの磁性を示す電子のスピン方向とが互いに
一致する場合の抵抗（低抵抗）をＲ1 、不一致の場合の
抵抗（高抵抗）をＲ2 とすると、アップスピン偏極電子
ｅupの通過経路においては下記の抵抗が発生する。
従来技術に係るスピンバルブトランジスタの抵抗変化を
説明するベース領域２の概略構成図である。図３（Ａ）
に示すように、スピンバルブトランジスタのベース領域
２に外部磁場Ｈが印加されない場合には、最も安定なエ
ネルギ状態が確保され、強磁性金属体領域２ａの磁性を
示す電子のスピン方向がアップスピン状態の電子ｓ12up
とダウンスピン状態の電子ｓ12dwonとが強磁性金属体領
域２ａの配列方向に沿って交互に存在する（反平行状
態）。従来技術に係るスピンパルブトランジスタにおい
ては、エミッタ領域３からベース領域２にはエミッタ領
域３のアップスピン偏極電子ｅup、ダウンスピン偏極電
子ｅdwonがいずれも注入される。エミッタ領域３のスピ
ン偏極電子のスピン偏極方向とベース領域２の強磁性金
属体領域２ａの磁性を示す電子のスピン方向とが互いに
一致する場合の抵抗（低抵抗）をＲ1 、不一致の場合の
抵抗（高抵抗）をＲ2 とすると、アップスピン偏極電子
ｅupの通過経路においては下記の抵抗が発生する。
【００２８】 Ｒ1 ＋Ｒ2 ＋Ｒ1 ＋Ｒ2 ＝２（Ｒ1 ＋Ｒ2 ） また、ダウンスピン偏極電子ｅdwonの通過経路において
は下記の抵抗が発生する。
は下記の抵抗が発生する。
【００２９】 Ｒ2 ＋Ｒ1 ＋Ｒ2 ＋Ｒ1 ＝２（Ｒ1 ＋Ｒ2 ） 従って、ベース領域２の全抵抗ＲAPは以下の通り求めら
れる。
れる。
【００３０】
【数１】 一方、スピンバルブトランジスタのベース領域２に外部
磁場Ｈが印加された場合には、外部磁場Ｈにより強磁性
金属体領域２ａのアップスピン状態の電子ｓ12 up（又は
ダウンスピン状態の電子ｓ12dwon）だけが存在する（平
行状態）。従来技術に係るスピンパルブトランジスタに
おいては、エミッタ領域３からベース領域２にエミッタ
領域３のアップスピン偏極電子ｅup、ダウンスピン偏極
電子ｅdw onがいずれも注入されるので、同様にアップス
ピン偏極電子ｅupの通過経路においては下記の抵抗が発
生する。
磁場Ｈが印加された場合には、外部磁場Ｈにより強磁性
金属体領域２ａのアップスピン状態の電子ｓ12 up（又は
ダウンスピン状態の電子ｓ12dwon）だけが存在する（平
行状態）。従来技術に係るスピンパルブトランジスタに
おいては、エミッタ領域３からベース領域２にエミッタ
領域３のアップスピン偏極電子ｅup、ダウンスピン偏極
電子ｅdw onがいずれも注入されるので、同様にアップス
ピン偏極電子ｅupの通過経路においては下記の抵抗が発
生する。
【００３１】Ｒ1 ＋Ｒ1 ＋Ｒ1 ＋Ｒ1 ＝４Ｒ1 また、ダウンスピン偏極電子ｅdwonの通過経路において
は下記の抵抗が発生する。
は下記の抵抗が発生する。
【００３２】Ｒ2 ＋Ｒ2 ＋Ｒ2 ＋Ｒ2 ＝４Ｒ2 従って、ベース領域２の全抵抗ＲP は以下の通り求めら
れる。
れる。
【００３３】
【数２】 スピンバルブトランジスタのベース領域２に外部磁場Ｈ
が印加されない反平行状態と外部磁場Ｈが印加された平
行状態との間の抵抗変化ΔＲは以下の通り求められる。
が印加されない反平行状態と外部磁場Ｈが印加された平
行状態との間の抵抗変化ΔＲは以下の通り求められる。
【００３４】
【数３】 ここで、式（３）に例えば低抵抗Ｒ1 として１、高抵抗
Ｒ2 として１０（Ｒ2＝１０Ｒ1 ）をそれぞれ代入する
と、抵抗変化ΔＲは約６７％になる。
Ｒ2 として１０（Ｒ2＝１０Ｒ1 ）をそれぞれ代入する
と、抵抗変化ΔＲは約６７％になる。
【００３５】図３（Ｂ）、図３（Ｃ）はそれぞれ本実施
形態に係るスピンバルブトランジスタの抵抗変化を説明
する第１動作領域１２の概略構成図である。図３（Ｂ）
に示すように、本実施形態に係るスピンバルブトランジ
スタの第１動作領域１２に外部磁場Ｈが印加されない反
平行状態の場合において、第２動作領域１３から第１動
作領域１２には第２動作領域の非磁性金属体領域１３ｂ
のアップスピン偏極電子ｅupだけがポテンシャルバリア
領域１３ａにより選択的に注入される。従って、アップ
スピン偏極電子ｅupの通過経路においては下記の抵抗が
発生する。
形態に係るスピンバルブトランジスタの抵抗変化を説明
する第１動作領域１２の概略構成図である。図３（Ｂ）
に示すように、本実施形態に係るスピンバルブトランジ
スタの第１動作領域１２に外部磁場Ｈが印加されない反
平行状態の場合において、第２動作領域１３から第１動
作領域１２には第２動作領域の非磁性金属体領域１３ｂ
のアップスピン偏極電子ｅupだけがポテンシャルバリア
領域１３ａにより選択的に注入される。従って、アップ
スピン偏極電子ｅupの通過経路においては下記の抵抗が
発生する。
【００３６】ＲAP＝２（Ｒ1 ＋Ｒ2 ） 一方、スピンバルブトランジスタの第１動作領域１２に
外部磁場Ｈが印加された場合には、外部磁場Ｈにより強
磁性金属体領域１２ａのアップスピン状態の電子ｓ12up
だけが存在する（平行状態）。同様に本実施形態に係る
スピンパルブトランジスタにおいては、第２動作領域１
３から第１動作領域１２に第２動作領域１３の非磁性金
属体領域１３ｂのアップスピン偏極電子ｅupが選択的に
注入されるので、アップスピン偏極電子ｅupの通過経路
においては下記の抵抗が発生する。
外部磁場Ｈが印加された場合には、外部磁場Ｈにより強
磁性金属体領域１２ａのアップスピン状態の電子ｓ12up
だけが存在する（平行状態）。同様に本実施形態に係る
スピンパルブトランジスタにおいては、第２動作領域１
３から第１動作領域１２に第２動作領域１３の非磁性金
属体領域１３ｂのアップスピン偏極電子ｅupが選択的に
注入されるので、アップスピン偏極電子ｅupの通過経路
においては下記の抵抗が発生する。
【００３７】ＲP ＝４Ｒ1 スピンバルブトランジスタの第１動作領域１２に外部磁
場Ｈが印加されない反平行状態と外部磁場Ｈが印加され
た平行状態との間の抵抗変化ΔＲは以下の通り求められ
る。
場Ｈが印加されない反平行状態と外部磁場Ｈが印加され
た平行状態との間の抵抗変化ΔＲは以下の通り求められ
る。
【００３８】
【数４】 ここで、式（４）に同様な値、例えば低抵抗Ｒ1 として
１、高抵抗Ｒ2 として１０をそれぞれ代入すると、抵抗
変化ΔＲは約８１％になり、大きな抵抗変化が得られ
る。
１、高抵抗Ｒ2 として１０をそれぞれ代入すると、抵抗
変化ΔＲは約８１％になり、大きな抵抗変化が得られ
る。
【００３９】さらに、図３（Ｃ）に示すように、本実施
形態に係るスピンバルブトランジスタの第１動作領域１
２に外部磁場Ｈが印加された平行状態から外部反転磁場
Ｈ’が印加された反平行状態の場合においては、第２動
作領域１３から第１動作領域１２に第２動作領域１３の
非磁性金属体領域１３ｂのアップスピン偏極電子ｅupだ
けがポテンシャルバリア領域１３ａにより選択的に注入
されるので、アップスピン偏極電子ｅupの通過経路にお
いては下記の抵抗が発生する。
形態に係るスピンバルブトランジスタの第１動作領域１
２に外部磁場Ｈが印加された平行状態から外部反転磁場
Ｈ’が印加された反平行状態の場合においては、第２動
作領域１３から第１動作領域１２に第２動作領域１３の
非磁性金属体領域１３ｂのアップスピン偏極電子ｅupだ
けがポテンシャルバリア領域１３ａにより選択的に注入
されるので、アップスピン偏極電子ｅupの通過経路にお
いては下記の抵抗が発生する。
【００４０】ＲAP＝４Ｒ2 スピンバルブトランジスタの第１動作領域１２に外部磁
場Ｈが印加された平行状態と外部反転磁場Ｈ’が印加さ
れた反平行状態との間の抵抗変化ΔＲは以下の通り求め
られる。
場Ｈが印加された平行状態と外部反転磁場Ｈ’が印加さ
れた反平行状態との間の抵抗変化ΔＲは以下の通り求め
られる。
【００４１】
【数５】 ここで、式（５）に同様に低抵抗Ｒ1 として１、高抵抗
Ｒ2 として１０をそれぞれ代入すると、抵抗変化ΔＲは
約９０％になり、さらに大きな抵抗変化が得られる。
Ｒ2 として１０をそれぞれ代入すると、抵抗変化ΔＲは
約９０％になり、さらに大きな抵抗変化が得られる。
【００４２】＜第１動作領域の非磁性金属体領域の厚さ
＞図４（Ａ）は第１動作領域１２の強磁性金属体領域１
２ａと非磁性金属体領域１２ｂとの配列状態を示す概略
構成図である。強磁性金属体領域１２ａはＣｏ薄膜、非
磁性金属体領域１２ｂはＣｕ薄膜であり、Ｃｏ／Ｃｕ金
属超格子薄膜である。Ｃｕ薄膜の膜厚ｄが変化すると、
複数のＣｏ薄膜のそれぞれの磁性を示す電子間に働く相
互作用が変化し（磁性を示す電子のスピン方向が変化
し）、Ｃｏ薄膜の磁性を示す電子の安定なスピン方向の
配列状態が変化する。隣接し配列されるＣｏ薄膜のそれ
ぞれの磁性を示す電子間にフェロー（ferro ）的相互作
用が働くと、それぞれの電子のスピン方向は一致し平行
に揃う。逆に、磁性を示す電子間にアンチフェロー（an
ti ferro）的相互作用が働くと、それぞれの電子のスピ
ン方向は反平行に揃う。
＞図４（Ａ）は第１動作領域１２の強磁性金属体領域１
２ａと非磁性金属体領域１２ｂとの配列状態を示す概略
構成図である。強磁性金属体領域１２ａはＣｏ薄膜、非
磁性金属体領域１２ｂはＣｕ薄膜であり、Ｃｏ／Ｃｕ金
属超格子薄膜である。Ｃｕ薄膜の膜厚ｄが変化すると、
複数のＣｏ薄膜のそれぞれの磁性を示す電子間に働く相
互作用が変化し（磁性を示す電子のスピン方向が変化
し）、Ｃｏ薄膜の磁性を示す電子の安定なスピン方向の
配列状態が変化する。隣接し配列されるＣｏ薄膜のそれ
ぞれの磁性を示す電子間にフェロー（ferro ）的相互作
用が働くと、それぞれの電子のスピン方向は一致し平行
に揃う。逆に、磁性を示す電子間にアンチフェロー（an
ti ferro）的相互作用が働くと、それぞれの電子のスピ
ン方向は反平行に揃う。
【００４３】図４（Ｂ）はＣｏ薄膜の磁性を示す電子間
に働く相互作用を実験的に求めた結果を示す図である。
図４（Ｂ）中、横軸はＣｕ薄膜の膜厚（ｎｍ）を示し、
縦軸は磁気抵抗レシオ（％）を示す。大きな抵抗変化
（ＧＭＲ効果）を実現するにはＣｏ薄膜の磁性を示す電
子のスピン方向が反平行状態の配列（ＡＦ：anti ferr
o）が望ましい。従って、同図４（Ｂ）に示すように、
Ｃｕ薄膜の膜厚は約１. ０ｎｍ、２. ０ｎｍ、３. ５ｎ
ｍのいずれかに設定することが望ましい。
に働く相互作用を実験的に求めた結果を示す図である。
図４（Ｂ）中、横軸はＣｕ薄膜の膜厚（ｎｍ）を示し、
縦軸は磁気抵抗レシオ（％）を示す。大きな抵抗変化
（ＧＭＲ効果）を実現するにはＣｏ薄膜の磁性を示す電
子のスピン方向が反平行状態の配列（ＡＦ：anti ferr
o）が望ましい。従って、同図４（Ｂ）に示すように、
Ｃｕ薄膜の膜厚は約１. ０ｎｍ、２. ０ｎｍ、３. ５ｎ
ｍのいずれかに設定することが望ましい。
【００４４】＜ポテンシャルバリア領域のバリア形状＞
本実施形態に係るスピンバルブトランジスタにおいて、
第２動作領域１３のポテンシャルバリア領域１３ａは非
磁性金属体領域１３ｂのアップスピン偏極電子ｅupを選
択的に第１動作領域１２に注入するとともにダウンスピ
ン偏極電子ｅdw onの注入を制限する機能を備える。本発
明者が行った実験結果に基づき理想的なポテンシャルバ
リア領域１３ａの形状について説明する。図５はポテン
シャルパリア領域１３ａの形状を示す部分的なエネルギ
バンド構造図である。実験には、ポテンシャルバリア領
域１３ａを形成する強磁性絶縁体領域にＥｕＳが使用さ
れ、Ａｕ／ＥｕＳ／Ａｌ接合構造についてポテンシャル
パリア領域１３ａの理想的な形状を求めた。図５中、符
号φ1 はＡｕ／ＥｕＳ接合界面間の障壁高さの平均値、
符号φ2 はＥｕＳ／Ａｌ接合界面の障壁高さの平均値、
符号Ｗはポテンシャルバリア領域１３ａの障壁幅であ
る。ポテンシャルバリア領域１３ａの障壁高さの平均φ
は（φ1 ＋φ2 ）／２で表わされる。実験結果によれ
ば、障壁幅Ｗが１７. ６〓に対して、アップスピン偏極
電子ｅupを選択的に注入するために必要な障壁高さの平
均φは １. ９７ｅＶ、ダウンスピン偏極電子ｅdwonの
注入を阻止するために必要な障壁高さの平均φは ２.
３３ｅＶである。また、障壁幅Ｗが１８. ９〓に対し
て、アップスピン偏極電子ｅupを選択的に注入するため
に必要な障壁高さの平均φは １. ８４ｅＶ、ダウンス
ピン偏極電子ｅdwonの注入を阻止するために必要な障壁
高さの平均φは ２. ２０ｅＶである。このような実験
結果から、強磁性絶縁体領域としてＥｕＳが使用された
ポテンシャルバリア領域１３ａにおいては、アップスピ
ン偏極電子ｅupを選択的に注入しかつダウンスピン偏極
電子ｅdwonの注入を阻止することを目的とした場合、障
壁幅Ｗは０. １−５. ０ｎｍの範囲に設定する。
本実施形態に係るスピンバルブトランジスタにおいて、
第２動作領域１３のポテンシャルバリア領域１３ａは非
磁性金属体領域１３ｂのアップスピン偏極電子ｅupを選
択的に第１動作領域１２に注入するとともにダウンスピ
ン偏極電子ｅdw onの注入を制限する機能を備える。本発
明者が行った実験結果に基づき理想的なポテンシャルバ
リア領域１３ａの形状について説明する。図５はポテン
シャルパリア領域１３ａの形状を示す部分的なエネルギ
バンド構造図である。実験には、ポテンシャルバリア領
域１３ａを形成する強磁性絶縁体領域にＥｕＳが使用さ
れ、Ａｕ／ＥｕＳ／Ａｌ接合構造についてポテンシャル
パリア領域１３ａの理想的な形状を求めた。図５中、符
号φ1 はＡｕ／ＥｕＳ接合界面間の障壁高さの平均値、
符号φ2 はＥｕＳ／Ａｌ接合界面の障壁高さの平均値、
符号Ｗはポテンシャルバリア領域１３ａの障壁幅であ
る。ポテンシャルバリア領域１３ａの障壁高さの平均φ
は（φ1 ＋φ2 ）／２で表わされる。実験結果によれ
ば、障壁幅Ｗが１７. ６〓に対して、アップスピン偏極
電子ｅupを選択的に注入するために必要な障壁高さの平
均φは １. ９７ｅＶ、ダウンスピン偏極電子ｅdwonの
注入を阻止するために必要な障壁高さの平均φは ２.
３３ｅＶである。また、障壁幅Ｗが１８. ９〓に対し
て、アップスピン偏極電子ｅupを選択的に注入するため
に必要な障壁高さの平均φは １. ８４ｅＶ、ダウンス
ピン偏極電子ｅdwonの注入を阻止するために必要な障壁
高さの平均φは ２. ２０ｅＶである。このような実験
結果から、強磁性絶縁体領域としてＥｕＳが使用された
ポテンシャルバリア領域１３ａにおいては、アップスピ
ン偏極電子ｅupを選択的に注入しかつダウンスピン偏極
電子ｅdwonの注入を阻止することを目的とした場合、障
壁幅Ｗは０. １−５. ０ｎｍの範囲に設定する。
【００４５】実施形態２ 本実施形態２は、スピンバルブトランジスタの第１動作
領域にＭｎ酸化物を使用した、本発明の他の実施形態で
ある。本実施形態に係るスピンバルブトランジスタは、
第１動作領域１２にペロブスカイト結晶構造を有するＭ
ｎ酸化物が使用される。前述の実施形態１において説明
した複数の強磁性金属体領域１２ａと複数の非磁性金属
体領域１２ｂとを交互に配列した人工的な金属超格子薄
膜に対して、Ｍｎ酸化物の結晶構造自体にＧＭＲ効果が
ある。本実施形態においてＭｎ酸化物にはＬａ1-x Ｓｒ
x ＭｎＯ3 （０. １６＜ｘ＜０. ５０）が使用される。
また、Ｍｎ酸化物としては他にＰｒ1-x Ｃａx Ｍｎ
Ｏ3 、Ｎｄ0.5 Ｓｒ0.5 ＭｎＯ3 、（Ｌａ0.068 Ｓｎ
0.937 ）1/2 Ｓｒ1/2 ＭｎＯ3 のいずれかが使用でき
る。
領域にＭｎ酸化物を使用した、本発明の他の実施形態で
ある。本実施形態に係るスピンバルブトランジスタは、
第１動作領域１２にペロブスカイト結晶構造を有するＭ
ｎ酸化物が使用される。前述の実施形態１において説明
した複数の強磁性金属体領域１２ａと複数の非磁性金属
体領域１２ｂとを交互に配列した人工的な金属超格子薄
膜に対して、Ｍｎ酸化物の結晶構造自体にＧＭＲ効果が
ある。本実施形態においてＭｎ酸化物にはＬａ1-x Ｓｒ
x ＭｎＯ3 （０. １６＜ｘ＜０. ５０）が使用される。
また、Ｍｎ酸化物としては他にＰｒ1-x Ｃａx Ｍｎ
Ｏ3 、Ｎｄ0.5 Ｓｒ0.5 ＭｎＯ3 、（Ｌａ0.068 Ｓｎ
0.937 ）1/2 Ｓｒ1/2 ＭｎＯ3 のいずれかが使用でき
る。
【００４６】第１動作領域１２がペロブスカイト結晶構
造で形成される場合には、基本的に同様なペロブスカイ
ト結晶構造を有する結晶体で第２動作領域１３、第３動
作領域１１がいずれも形成できる。製造プロセス的な表
現をすれば、同様なペロブスカイト結晶構造を備えてい
れば、同一のエピタキシャル成長室において連続結晶成
長が実現できる。本実施形態において、第２動作領域１
３は、いずれもペロブスカイト結晶構造を有するＬａ
1-x Ｓｒ1-x ＴｉＯ3 からなる半導体領域１３ｂと、Ｌ
ａ1-x Ｓｒx ＭｎＯ3 からなる強磁性絶縁体領域のポテ
ンシャルバリア領域１３ａとで形成される。半導体領域
１３ｂであるＬａ1-x Ｓｒ1-x ＴｉＯ3 は互いに異なる
スピン偏極方向を持つ複数のスピン偏極電子を第１動作
領域１２に注入する。ポテンシャルバリア領域１３ａで
あるＬａ1-x Ｓｒx ＭｎＯ3 は前記半導体領域１３ｂか
ら第１動作領域１２にアップスピン偏極電子ｅupを選択
的に注入する。第３動作領域１１にはペロブスカイト結
晶構造を有するＬａ1-x Ｓｒx ＴｉＯ3 からなる半導体
領域が使用される。
造で形成される場合には、基本的に同様なペロブスカイ
ト結晶構造を有する結晶体で第２動作領域１３、第３動
作領域１１がいずれも形成できる。製造プロセス的な表
現をすれば、同様なペロブスカイト結晶構造を備えてい
れば、同一のエピタキシャル成長室において連続結晶成
長が実現できる。本実施形態において、第２動作領域１
３は、いずれもペロブスカイト結晶構造を有するＬａ
1-x Ｓｒ1-x ＴｉＯ3 からなる半導体領域１３ｂと、Ｌ
ａ1-x Ｓｒx ＭｎＯ3 からなる強磁性絶縁体領域のポテ
ンシャルバリア領域１３ａとで形成される。半導体領域
１３ｂであるＬａ1-x Ｓｒ1-x ＴｉＯ3 は互いに異なる
スピン偏極方向を持つ複数のスピン偏極電子を第１動作
領域１２に注入する。ポテンシャルバリア領域１３ａで
あるＬａ1-x Ｓｒx ＭｎＯ3 は前記半導体領域１３ｂか
ら第１動作領域１２にアップスピン偏極電子ｅupを選択
的に注入する。第３動作領域１１にはペロブスカイト結
晶構造を有するＬａ1-x Ｓｒx ＴｉＯ3 からなる半導体
領域が使用される。
【００４７】図６はＬａ1-x Ｓｒx ＭｎＯ3 の結晶の電
子相図である。図６中、横軸は組成比ｘの割合を示し、
縦軸は温度（Ｋ）を示す。符号ＴF は反強磁性転移点、
ＴCは強磁性転移点、ＰＩは常磁性絶縁体、ＰＭは常磁
性金属体、ＣＩはスピンキャント絶縁体、ＦＩは強磁性
絶縁体、ＦＭは強磁性金属体である。ポテンシャルバリ
ア領域１３ａとしてのＬａ1-x Ｓｒx ＭｎＯ3 を使用す
る場合には強磁性絶縁体ＦＩの領域が使用される。すな
わち、Ｌａ1-x Ｓｒx ＭｎＯ3 のｘの組成化は０. ０９
−０. １６の範囲に設定される。
子相図である。図６中、横軸は組成比ｘの割合を示し、
縦軸は温度（Ｋ）を示す。符号ＴF は反強磁性転移点、
ＴCは強磁性転移点、ＰＩは常磁性絶縁体、ＰＭは常磁
性金属体、ＣＩはスピンキャント絶縁体、ＦＩは強磁性
絶縁体、ＦＭは強磁性金属体である。ポテンシャルバリ
ア領域１３ａとしてのＬａ1-x Ｓｒx ＭｎＯ3 を使用す
る場合には強磁性絶縁体ＦＩの領域が使用される。すな
わち、Ｌａ1-x Ｓｒx ＭｎＯ3 のｘの組成化は０. ０９
−０. １６の範囲に設定される。
【００４８】このように構成されるスピンバルブトラン
ジスタにおいては、第３動作領域１１、第１動作領域１
２及び第２動作領域１３（半導体領域１３ｂ及びポテン
シャルバリア領域１３ａ）を含むすべての動作領域が同
様なペロブスカイト結晶構造において形成できる。
ジスタにおいては、第３動作領域１１、第１動作領域１
２及び第２動作領域１３（半導体領域１３ｂ及びポテン
シャルバリア領域１３ａ）を含むすべての動作領域が同
様なペロブスカイト結晶構造において形成できる。
【００４９】実施形態３ 本実施形態３は、前述の実施形態１に係るスピンバルブ
トランジスタにおいて特定方向のスピン偏極方向を持つ
スピン偏極電子を選択的に第１動作領域に注入する第２
動作領域の構造を代えた、本発明の他の実施形態であ
る。図７は本発明の実施形態３に係る磁気抵抗デバイス
に搭載されたスピンバルブトランジスタの断面構造図、
図８（Ａ）は前記スピンバルブトランジスタのエネルギ
バンド構造図である。図７及び図８（Ａ）に示すよう
に、本実施形態に係るスピンバルブトランジスタの第２
動作領域１３は強磁性金属体領域１３ｄ及びポテンシャ
ルバリア領域１３ｃで形成される。強磁性金属体領域１
３ｄは特定方向のスピン偏極方向を持つスピン偏極電
子、具体的にはアップスピン偏極電子ｅupを選択的に前
記第１動作領域に注入する。図８（Ｂ）は強磁性金属体
領域１３ｄの状態密度図である。図８（Ｂ）に示すよう
に、強磁性金属体領域１３ｄはフェルミ準位面上の動け
る電子がアップスピン偏極電子ｅup、ダウンスピン偏極
電子ｅdwonのいずれか一方に限られる。すなわち、一方
のスピン偏極電子（本実施形態においてはアップスピン
偏極電子ｅupに限られる）だけを第１動作領域１２に選
択的に注入できる。強磁性金属体領域１３ｄはＦｅ、Ｃ
ｏ、Ｎｉのいずれかで形成される。ポテンシャルバリア
領域１３ｃは強磁性金属体領域１３ｄから第１動作領域
１２に注入されるアップスピン偏極電子ｅupの注入量を
制御する。すなわち、ポテンシャルバリア領域１３ｃは
単なるアップスピン偏極電子ｅupの注入量を制御する障
壁として使用されるので、ポテンシャルバリア領域１３
ｃを形成する材料の選択範囲が拡張できる。ポテンシャ
ルバリア領域１３ｃは、例えばＭｇＯ、Ａｌ2 Ｏ3 のい
ずかの非磁性絶縁体領域、又はＥｕＳ、ＥｕＯのいずれ
かの強磁性絶縁体領域で形成される。
トランジスタにおいて特定方向のスピン偏極方向を持つ
スピン偏極電子を選択的に第１動作領域に注入する第２
動作領域の構造を代えた、本発明の他の実施形態であ
る。図７は本発明の実施形態３に係る磁気抵抗デバイス
に搭載されたスピンバルブトランジスタの断面構造図、
図８（Ａ）は前記スピンバルブトランジスタのエネルギ
バンド構造図である。図７及び図８（Ａ）に示すよう
に、本実施形態に係るスピンバルブトランジスタの第２
動作領域１３は強磁性金属体領域１３ｄ及びポテンシャ
ルバリア領域１３ｃで形成される。強磁性金属体領域１
３ｄは特定方向のスピン偏極方向を持つスピン偏極電
子、具体的にはアップスピン偏極電子ｅupを選択的に前
記第１動作領域に注入する。図８（Ｂ）は強磁性金属体
領域１３ｄの状態密度図である。図８（Ｂ）に示すよう
に、強磁性金属体領域１３ｄはフェルミ準位面上の動け
る電子がアップスピン偏極電子ｅup、ダウンスピン偏極
電子ｅdwonのいずれか一方に限られる。すなわち、一方
のスピン偏極電子（本実施形態においてはアップスピン
偏極電子ｅupに限られる）だけを第１動作領域１２に選
択的に注入できる。強磁性金属体領域１３ｄはＦｅ、Ｃ
ｏ、Ｎｉのいずれかで形成される。ポテンシャルバリア
領域１３ｃは強磁性金属体領域１３ｄから第１動作領域
１２に注入されるアップスピン偏極電子ｅupの注入量を
制御する。すなわち、ポテンシャルバリア領域１３ｃは
単なるアップスピン偏極電子ｅupの注入量を制御する障
壁として使用されるので、ポテンシャルバリア領域１３
ｃを形成する材料の選択範囲が拡張できる。ポテンシャ
ルバリア領域１３ｃは、例えばＭｇＯ、Ａｌ2 Ｏ3 のい
ずかの非磁性絶縁体領域、又はＥｕＳ、ＥｕＯのいずれ
かの強磁性絶縁体領域で形成される。
【００５０】実施形態４ 本実施形態４は、前述の実施形態１に係るスピンバルブ
トランジスタにおいて第１動作領域１２の強磁性金属体
領域２ａの膜表面に平行に電流を流すＣＩＰ（Ｃurrent
in Ｐlane）構造が採用された、本発明の他の実施形態
である。図９（Ａ）、図９（Ｂ）はそれぞれ本発明の実
施形態４に係る磁気抵抗デバイスに搭載されたスピンバ
ルブトランジスタの断面構造図である。
トランジスタにおいて第１動作領域１２の強磁性金属体
領域２ａの膜表面に平行に電流を流すＣＩＰ（Ｃurrent
in Ｐlane）構造が採用された、本発明の他の実施形態
である。図９（Ａ）、図９（Ｂ）はそれぞれ本発明の実
施形態４に係る磁気抵抗デバイスに搭載されたスピンバ
ルブトランジスタの断面構造図である。
【００５１】図９（Ａ）に示すスピンバルブトランジス
タは、第３動作領域１１と第２動作領域１３との間に第
１動作領域１２が形成され、この第１動作領域１２の金
属人工格子薄膜を形成する複数の強磁性金属体領域１２
ａと複数の非磁性金属体領域１２ｂとがそれぞれ水平方
向に交互に配列される。電流は強磁性金属体領域１２ａ
の表面に平行において強磁性金属体領域１２ａ内部に流
れる。
タは、第３動作領域１１と第２動作領域１３との間に第
１動作領域１２が形成され、この第１動作領域１２の金
属人工格子薄膜を形成する複数の強磁性金属体領域１２
ａと複数の非磁性金属体領域１２ｂとがそれぞれ水平方
向に交互に配列される。電流は強磁性金属体領域１２ａ
の表面に平行において強磁性金属体領域１２ａ内部に流
れる。
【００５２】図９（Ｂ）に示すスピンバルブトランジス
タは、基板１４の表面上に島領域の形状で互いに離間し
て形成された第３動作領域１３ｅと第２動作領域１３と
を備え、この第３動作領域１３ｅと第２動作領域１３と
間に第１動作領域１２が形成される。
タは、基板１４の表面上に島領域の形状で互いに離間し
て形成された第３動作領域１３ｅと第２動作領域１３と
を備え、この第３動作領域１３ｅと第２動作領域１３と
間に第１動作領域１２が形成される。
【００５３】それぞれのＣＩＰ構造を採用するスピンバ
ルブトランジスタにおいては、前述の実施形態１に係る
ＣＰＰ構造を採用するスピンバルブトランジスタのＧＭ
Ｒ効果に比べて若干は劣るものの、同様にＧＭＲ効果が
改善できる。
ルブトランジスタにおいては、前述の実施形態１に係る
ＣＰＰ構造を採用するスピンバルブトランジスタのＧＭ
Ｒ効果に比べて若干は劣るものの、同様にＧＭＲ効果が
改善できる。
【００５４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、ＧＭＲ
効果を有する動作領域を持つトランジスタを備えた磁気
抵抗デバイスにおいて、前記動作領域の磁気抵抗の変化
率を向上できる。さらに、本発明は、前記磁気抵抗デバ
イスを利用する磁場センサにおいて、感度を向上でき
る。
効果を有する動作領域を持つトランジスタを備えた磁気
抵抗デバイスにおいて、前記動作領域の磁気抵抗の変化
率を向上できる。さらに、本発明は、前記磁気抵抗デバ
イスを利用する磁場センサにおいて、感度を向上でき
る。
【図１】 本発明の実施形態１に係る磁気抵抗デバイス
に搭載されたスピンバルブトランジスタの断面構造図で
ある。
に搭載されたスピンバルブトランジスタの断面構造図で
ある。
【図２】 前記スピンバルブトランジスタのエネルギバ
ンド構造図である。
ンド構造図である。
【図３】（Ａ）は従来技術に係るスピンバルブトランジ
スタの抵抗変化を説明するベース領域の概略構成図、
（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ本実施形態に係るスピンバル
ブトランジスタの抵抗変化を説明する第１動作領域の概
略構成図である。
スタの抵抗変化を説明するベース領域の概略構成図、
（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ本実施形態に係るスピンバル
ブトランジスタの抵抗変化を説明する第１動作領域の概
略構成図である。
【図４】（Ａ）は第１動作領域の強磁性金属体領域と非
磁性金属体領域との配列状態を示す概略構成図、（Ｂ）
はＣｏ薄膜の磁性を示す電子間に働く相互作用を実験的
に求めた結果を示す図である。
磁性金属体領域との配列状態を示す概略構成図、（Ｂ）
はＣｏ薄膜の磁性を示す電子間に働く相互作用を実験的
に求めた結果を示す図である。
【図５】 ポテンシャルパリア領域の形状を示す部分的
なエネルギバンド構造図である。
なエネルギバンド構造図である。
【図６】 本発明の実施形態２に係る磁気抵抗デバイス
に搭載されたスピンバルブトランジスタの動作領域に使
用されるＬａＳｒＭｎＯの結晶の電子相図である。
に搭載されたスピンバルブトランジスタの動作領域に使
用されるＬａＳｒＭｎＯの結晶の電子相図である。
【図７】 本発明の実施形態３に係る磁気抵抗デバイス
に搭載されたスピンバルブトランジスタの断面構造図で
ある。
に搭載されたスピンバルブトランジスタの断面構造図で
ある。
【図８】（Ａ）は前記スピンバルブトランジスタのエネ
ルギバンド構造図、（Ｂ）は強磁性金属体領域の状態密
度図である。
ルギバンド構造図、（Ｂ）は強磁性金属体領域の状態密
度図である。
【図９】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の実施形態４
に係る磁気抵抗デバイスに搭載されたスピンバルブトラ
ンジスタの断面構造図である。
に係る磁気抵抗デバイスに搭載されたスピンバルブトラ
ンジスタの断面構造図である。
【図１０】 従来技術に係るスピンバルブトランジスタ
の断面構造図である。
の断面構造図である。
【図１１】 前記スピンバルブトランジスタのエネルギ
バンド構造図である。
バンド構造図である。
１１、１３ｅ 第３動作領域、１２ 第１動作領域、１
２ａ、１３ｄ 強磁性金属体領域、１２ｂ 非磁性金属
体領域、１３ 第２動作領域、１３ａ、１３ｃポテンシ
ャルバリア領域、１３ｂ 非磁性金属体領域又は半導体
領域。
２ａ、１３ｄ 強磁性金属体領域、１２ｂ 非磁性金属
体領域、１３ 第２動作領域、１３ａ、１３ｃポテンシ
ャルバリア領域、１３ｂ 非磁性金属体領域又は半導体
領域。
Claims (11)
- 【請求項１】 磁気抵抗を有する第１動作領域と、 前記第１動作領域の磁性を示す電子のスピン方向の一方
の方向にスピン偏極方向を持つスピン偏極電子を選択的
に前記第１動作領域に注入する第２動作領域と、 を備えたことを特徴とする磁気抵抗デバイス。 - 【請求項２】 前記請求項１に記載された磁気抵抗デバ
イスにおいて、 前記第１動作領域は、複数の強磁性金属体領域、複数の
非磁性金属体領域のそれぞれを交互に配列した金属超格
子薄膜で形成されたことを特徴とする磁気抵抗デバイ
ス。 - 【請求項３】 前記請求項２に記載された磁気抵抗デバ
イスにおいて、 前記第１動作領域の強磁性金属体領域／非磁性金属体領
域は、Ｃｏ／Ｃｕ、Ｃｏ／Ａｇ、Ｆｅ／Ｃｕ、Ｆｅ／Ｃ
ｒ、Ｎｉ／Ａｇ、ＮｉＦｅ／Ｃｕのいずれかで形成され
ることを特徴とする磁気抵抗デバイス。 - 【請求項４】 前記請求項３に記載された磁気抵抗デバ
イスにおいて、 前記第２動作領域は、 互いに異なるスピン偏極方向を持つ複数のスピン偏極電
子を注入する非磁性金属体領域又は半導体領域と、 前記非磁性金属体領域又は半導体領域から第１動作領域
に前記特定方向のスピン偏極方向を持つスピン偏極電子
を選択的に注入するポテンシャルバリア領域と、 を備えたことを特徴とする磁気抵抗デバイス。 - 【請求項５】 前記請求項４に記載された磁気抵抗デバ
イスにおいて、 前記第２動作領域のポテンシャルバリア領域は、強磁性
絶縁体領域又は強磁性半導体領域で形成されたことを特
徴とする磁気抵抗デバイス。 - 【請求項６】 前記請求項５に記載された磁気抵抗デバ
イスにおいて、 前記第２動作領域の非磁性金属体領域はＡｕ、Ａｇ、Ａ
ｌ、Ｃｕのいずれかで形成され、 前記ポテンシャルバリア領域の強磁性絶縁体領域はＥｕ
Ｓ、ＥｕＯのいずれか、強磁性半導体領域はＥｕＢ6 で
形成されることを特徴とする磁気抵抗デバイス。 - 【請求項７】 前記請求項１に記載された磁気抵抗デバ
イスにおいて、 前記第１動作領域は、Ｌａ1-x Ｓｒx ＭｎＯ3 （０. １
６＜ｘ＜０. ５０）、Ｐｒ1-x Ｃａx ＭｎＯ3 、Ｎｄ
0.5 Ｓｒ0.5 ＭｎＯ3 、（Ｌａ0.068 Ｓｎ0.937）1/2
Ｓｒ1/2 ＭｎＯ3 のいずれかのペロブスカイト結晶構造
を有するＭｎ酸化物で形成され、 前記第２動作領域は、互いに異なるスピン偏極方向を持
つ複数のスピン偏極電子を前記第１動作領域に注入する
Ｌａ1-x Ｓｒ1-x ＴｉＯ3 からなる半導体領域と、前記
半導体領域から第１動作領域に前記特定方向のスピン偏
極電子を選択的に注入するＬａ1-x Ｓｒx ＭｎＯ
3 （０. ０９＜ｘ＜０. １６）からなる強磁性絶縁体領
域のポテンシャルバリア領域とで形成されることを特徴
とする磁気抵抗デバイス。 - 【請求項８】 前記請求項３に記載された磁気抵抗デバ
イスにおいて、 前記第２動作領域は、 特定方向のスピン偏極方向を持つスピン偏極電子を選択
的に前記第１動作領域に注入する強磁性金属体領域と、 前記強磁性金属体領域から第１動作領域に注入される前
記特定方向のスピン偏極電子の注入量を制御するポテン
シャルバリア領域と、 を備えたことを特徴とする磁気抵抗デバイス。 - 【請求項９】 前記請求項８に記載された磁気抵抗デバ
イスにおいて、 前記第２動作領域の強磁性金属体領域はＦｅ、Ｃｏ、Ｎ
ｉのいずれかで形成され、 前記ポテンシャルバリア領域はＭｇＯ、Ａｌ2 Ｏ3 のい
ずかの非磁性絶縁体領域、又はＥｕＳ、ＥｕＯのいずれ
かの強磁性絶縁体領域で形成されることを特徴とする磁
気抵抗デバイス。 - 【請求項１０】 前記請求項２又は請求項８に記載され
た磁気抵抗デバイスにおいて、 前記第１動作領域には前記第２動作領域から第１動作領
域に注入されたスピン偏極電子を収集する第３動作領域
が接合されることを特徴とする磁気抵抗デバイス。 - 【請求項１１】 前記請求項１０に記載された磁気抵抗
デバイスにおいて、 前記第３動作領域はＳｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、Ｌａ
1-x Ｓｒx ＭｎＯ3 のいずれかの半導体領域で形成され
ることを特徴とする磁気抵抗デバイス。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8120249A JPH09307156A (ja) | 1996-05-15 | 1996-05-15 | 磁気抵抗デバイス |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8120249A JPH09307156A (ja) | 1996-05-15 | 1996-05-15 | 磁気抵抗デバイス |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09307156A true JPH09307156A (ja) | 1997-11-28 |
Family
ID=14781533
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8120249A Pending JPH09307156A (ja) | 1996-05-15 | 1996-05-15 | 磁気抵抗デバイス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09307156A (ja) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1096500A1 (en) * | 1999-10-27 | 2001-05-02 | Sony Corporation | Magnetization control method, information storage method, magnetic functional device, and information storage device |
| JP2003526939A (ja) * | 2000-03-14 | 2003-09-09 | イシス・イノベイション・リミテッド | スピントランジスター |
| US6700761B2 (en) | 2000-06-12 | 2004-03-02 | Fujitsu Limited | Magnetic sensor |
| JP2004119771A (ja) * | 2002-09-27 | 2004-04-15 | Toshiba Corp | スピンバルブトランジスタ、磁気ヘッド、磁気情報再生システム、および磁気記憶装置 |
| US6781801B2 (en) * | 2001-08-10 | 2004-08-24 | Seagate Technology Llc | Tunneling magnetoresistive sensor with spin polarized current injection |
| KR100447971B1 (ko) * | 2001-12-18 | 2004-09-10 | 주식회사 하이닉스반도체 | 다층구조의 자기장 센서 제조방법 |
| US6870717B2 (en) * | 2002-05-16 | 2005-03-22 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. | Semiconductor slider with an integral spin valve transistor structure and method for making same without a bonding step |
| KR100520663B1 (ko) * | 2000-12-28 | 2005-10-10 | 매그나칩 반도체 유한회사 | 반도체소자 |
| US7259942B2 (en) | 2005-01-10 | 2007-08-21 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. | Three terminal magnetic sensor having an in-stack longitudinal biasing layer structure in the collector or emitter region |
| US7636223B2 (en) | 2005-01-10 | 2009-12-22 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. | Three terminal magnetic sensor having an in-stack longitudinal biasing layer structure and a self-pinned layer structure |
| US7639459B2 (en) | 2005-01-10 | 2009-12-29 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. | Three terminal magnetic sensor having an in-stack longitudinal biasing layer structure |
| US7710691B2 (en) | 2005-01-10 | 2010-05-04 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. | Three terminal magnetic sensor having an in-stack longitudinal biasing layer structure in the collector region and a pinned layer structure in the emitter region |
-
1996
- 1996-05-15 JP JP8120249A patent/JPH09307156A/ja active Pending
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1096500A1 (en) * | 1999-10-27 | 2001-05-02 | Sony Corporation | Magnetization control method, information storage method, magnetic functional device, and information storage device |
| JP2001196661A (ja) * | 1999-10-27 | 2001-07-19 | Sony Corp | 磁化制御方法、情報記憶方法、磁気機能素子および情報記憶素子 |
| JP2003526939A (ja) * | 2000-03-14 | 2003-09-09 | イシス・イノベイション・リミテッド | スピントランジスター |
| US6700761B2 (en) | 2000-06-12 | 2004-03-02 | Fujitsu Limited | Magnetic sensor |
| KR100520663B1 (ko) * | 2000-12-28 | 2005-10-10 | 매그나칩 반도체 유한회사 | 반도체소자 |
| US6781801B2 (en) * | 2001-08-10 | 2004-08-24 | Seagate Technology Llc | Tunneling magnetoresistive sensor with spin polarized current injection |
| KR100447971B1 (ko) * | 2001-12-18 | 2004-09-10 | 주식회사 하이닉스반도체 | 다층구조의 자기장 센서 제조방법 |
| US6870717B2 (en) * | 2002-05-16 | 2005-03-22 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. | Semiconductor slider with an integral spin valve transistor structure and method for making same without a bonding step |
| JP2004119771A (ja) * | 2002-09-27 | 2004-04-15 | Toshiba Corp | スピンバルブトランジスタ、磁気ヘッド、磁気情報再生システム、および磁気記憶装置 |
| US7259942B2 (en) | 2005-01-10 | 2007-08-21 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. | Three terminal magnetic sensor having an in-stack longitudinal biasing layer structure in the collector or emitter region |
| US7636223B2 (en) | 2005-01-10 | 2009-12-22 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. | Three terminal magnetic sensor having an in-stack longitudinal biasing layer structure and a self-pinned layer structure |
| US7639459B2 (en) | 2005-01-10 | 2009-12-29 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. | Three terminal magnetic sensor having an in-stack longitudinal biasing layer structure |
| US7710691B2 (en) | 2005-01-10 | 2010-05-04 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. | Three terminal magnetic sensor having an in-stack longitudinal biasing layer structure in the collector region and a pinned layer structure in the emitter region |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Moodera et al. | The phenomena of spin-filter tunnelling | |
| JP6438532B2 (ja) | スピンフィルタ構造体を含む磁気トンネル接合素子 | |
| JP5339468B2 (ja) | スピントランジスタ及びその駆動方法 | |
| Nozaki et al. | Quantum oscillation of the tunneling conductance in fully epitaxial double barrier magnetic tunnel junctions | |
| Barthelemy et al. | Magnetoresistance and spin electronics | |
| JP4714918B2 (ja) | スピン注入素子及びスピン注入素子を用いた磁気装置 | |
| US20080246023A1 (en) | Transistor Based on Resonant Tunneling Effect of Double Barrier Tunneling Junctions | |
| Hamaya et al. | Oscillatory changes in the tunneling magnetoresistance effect in semiconductor quantum-dot spin valves | |
| JPH09307156A (ja) | 磁気抵抗デバイス | |
| Wang et al. | Tunneling anisotropic magnetoresistance in Co/AlO x/Al tunnel junctions with fcc Co (111) electrodes | |
| Zehner et al. | Magnetoionic control of perpendicular exchange bias | |
| Hamaya et al. | Spin-related current suppression in a semiconductor quantum dot spin-diode structure | |
| Kumar et al. | Low-field magnetocurrent above 200% in a spin-valve transistor at room temperature | |
| CN108352446B (zh) | 磁隧道二极管和磁隧道晶体管 | |
| US6445024B1 (en) | Ramp-edge structured tunneling devices using ferromagnet electrodes | |
| Varalda et al. | Resonant tunnel magnetoresistance in epitaxial metal-semiconductor heterostructures | |
| Fert | Historical overview: From electron transport in magnetic materials to spintronics | |
| Kumar et al. | 300% magnetocurrent in a room temperature operating spin-valve transistor | |
| Thompson et al. | Colossal magnetoresistance, half metallicity and spin electronics | |
| Moodera et al. | Spin-polarized tunneling | |
| JPH11289115A (ja) | スピン偏極素子 | |
| Iurchuk et al. | All-Electrical Operation of a Curie Switch at Room Temperature | |
| Unguris et al. | SEMPA imaging for spintronics applications | |
| Ye | Magneto-transport in (Ga, Mn) As-based alloys and hybrids | |
| Anil Kumar et al. | The Spin-Valve Transistor-a New Magnetoelectronic Device |