(57)【要約】【課題】スピンの散乱を抑制しつつ、良好なスピン伝導性及び電気抵抗特性を実現可能なスピン伝導素子を提供すること。【解決手段】スピン伝導素子１００Ａは、半導体材料からなるチャンネル７と、チャンネル７上に第１絶縁層８１を介して配置された磁化固定層１２Ｂと、チャンネル７上に第２絶縁層８２を介して配置された磁化自由層１２Ｃと、チャンネル７上に配置された第１電極２０Ａ及び第２電極２０Ｄと、を備え、チャンネル７のうちの第１絶縁層８１との接触面を含む第１領域７１、第２絶縁層８２との接触面を含む第２領域７２、第１電極２０Ａとの対向面を含む第３領域７４、及び第２電極２０Ｄとの対向面を含む第４領域７５のキャリア濃度は、チャンネル７全体の平均のキャリア濃度よりも高いことを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料からなるチャンネルと、
前記チャンネル上に第１絶縁層を介して配置された磁化固定層と、
前記チャンネル上に第２絶縁層を介して配置された磁化自由層と、
前記チャンネル上に配置された第１電極及び第２電極と、を備え、
前記チャンネルのうちの前記第１絶縁層との接触面を含む第１領域、前記第２絶縁層との接触面を含む第２領域、前記第１電極との対向面を含む第３領域、及び前記第２電極との対向面を含む第４領域のキャリア濃度は、前記チャンネル全体の平均のキャリア濃度よりも高い、スピン伝導素子。
【請求項２】
前記第１領域、前記第２領域、前記第３領域、及び前記第４領域のそれぞれの最大の前記キャリア濃度が、１×１０１９〜１×１０２１ｃｍ−３である、請求項１に記載のスピン伝導素子。
【請求項３】
前記チャンネル全体の平均の前記キャリア濃度が、１×１０１６〜１×１０２０ｃｍ−３である、請求項１に記載のスピン伝導素子。
【請求項４】
前記チャンネル全体の平均の前記キャリア濃度が、１×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３である、請求項１に記載のスピン伝導素子。
【請求項５】
前記第１領域及び前記第２領域のそれぞれにおいて、前記接触面から前記キャリア濃度が最大となるまでの深さが、１０ｎｍ以内である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
【請求項６】
前記第３領域及び前記第４領域のそれぞれにおいて、前記対向面から前記キャリア濃度が最大となるまでの深さが、１０ｎｍ以上である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
【請求項７】
第３絶縁層と、下部電極とを更に備え、
前記下部電極上に前記第３絶縁層が設けられており、
前記第３絶縁層上に前記チャンネルが設けられている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
【請求項８】
前記第１絶縁層と前記第２絶縁層との間において、前記チャンネル上に設けられた第４絶縁層と、
前記第４絶縁層上に設けられた上部電極と、を更に備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
【請求項９】
前記第４絶縁層が酸化膜である、請求項８に記載のスピン伝導素子。
【請求項１０】
前記第１絶縁層及び前記第２絶縁層が酸化マグネシウムである、請求項１〜９のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
【請求項１１】
前記磁化自由層及び前記磁化固定層の材料が、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、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以上の元素及びＢ、Ｃ、及びＮからなる群から選択される１以上の元素を含む合金である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
【請求項１２】
前記磁化自由層及び前記磁化固定層には、形状異方性によって保磁力差が付けられている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
【請求項１３】
前記磁化固定層は、前記磁化自由層よりも保磁力が大きい、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
【請求項１４】
前記磁化固定層上に形成された反強磁性層を更に備え、
前記反強磁性層は、前記磁化固定層の磁化の向きを固定する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン依存伝導現象を用いたスピン伝導素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スピンを蓄積または伝導するためのチャンネル層上に、磁化自由層及び磁化固定層を設けるスピン伝導素子が知られている。近年、チャンネル層に金属材料を用いたスピン伝導素子に代わって、チャンネル層に半導体材料を用いたスピン伝導素子が多くの注目を集めている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。チャンネル層に半導体材料を用いたスピン伝導素子は、チャンネル層に金属材料を用いたスピン伝導素子よりも、スピン拡散長が長い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２９９４６７号公報
【特許文献２】特許第４０２９７７２号公報
【非特許文献１】東芝  研究開発センター、丸亀孝生、杉山英行、井口智明、石川瑞恵、斉藤好昭、“ＣｏＦｅＢ／トンネル障壁を用いた半導体Ｓｉへのスピン注入構造の電気特性評価”、第５６回応用物理学関係連合講演会  講演予稿集（２００９年春  筑波大学）、第７９０頁、ｌｐ−ＴＢ−２１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体材料の導電性と強磁性材料の導電性とは異なる。故に、半導体材料からなるチャンネル層と、強磁性材料からなる磁化固定層及び磁化自由層とをショットキー接合すると、接合界面の不安定性によって非常に大きなばらつきの原因となる。
【０００５】
また、チャンネル層に半導体材料が用いられる場合、半導体材料に一導電型を付与する不純物が注入される（例えば、非特許文献１参照）。チャンネル層をｎ型とする場合、例えば、Ｐが注入される。チャンネル層をｐ型とする場合、例えば、Ｂが注入される。
【０００６】
チャンネル層のキャリア濃度が低いほど、スピンは伝導しやすいとされている。すなわち、スピン伝導素子の電気抵抗が高いほど、スピンは伝導しやすい。一方、スピン伝導素子の電気抵抗が低いほどスピンが注入されやすく、高速化及び省エネルギー化が図れる。故に、良好なスピン伝導性を保ちつつ、高速化及び省エネルギー化を図れるスピン伝導素子を実現するには、スピン伝導素子の電気抵抗特性に関して矛盾が生じていた。
【０００７】
そこで、本発明は、スピンの散乱を抑制しつつ、良好なスピン伝導性及び電気抵抗特性を実現可能なスピン伝導素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題を解決するため、本発明のスピン伝導素子は、半導体材料からなるチャンネルと、チャンネル上に第１絶縁層を介して配置された磁化固定層と、チャンネル上に第２絶縁層を介して配置された磁化自由層と、チャンネル上に配置された第１電極及び第２電極と、を備え、チャンネルのうちの第１絶縁層との接触面を含む第１領域、第２絶縁層との接触面を含む第２領域、第１電極との対向面を含む第３領域、及び第２電極との対向面を含む第４領域のキャリア濃度は、チャンネル全体の平均のキャリア濃度よりも高いことを特徴とする。
【０００９】
磁化固定層と第１電極とを電流源に接続することにより、磁化固定層に電流を流すことができる。磁化固定層に電流を流すことにより、磁化固定層の磁化の向きに対応するスピンを有する電子をチャンネルへ注入することができる。磁化自由層と第２電極とに接続される電圧測定器により、チャンネルと磁化自由層の間において発生する電圧出力を検出できる。
【００１０】
本発明のスピン伝導素子では、チャンネル全体の平均のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有するような、第１絶縁層との接触面を含む第１領域、第２絶縁層との接触面を含む第２領域、第１電極との対向面を含む第３領域、及び第２電極との対向面を含む第４領域が、チャンネル内に設けられている。そして、磁化固定層は、第１絶縁層上に設けられており、磁化自由層は、第２絶縁層上に設けられている。このように、第１領域、第２領域、第３領域、及び第４領域では、キャリア濃度が比較的高いため、電気抵抗が比較的低い。よって、磁化固定層及び磁化自由層の導電性と、チャンネルの導電性とが整合されやすい。従って、チャンネルと、第１絶縁層及び第２絶縁層との接合界面において、スピンの散乱を抑制できる。故に、磁化固定層から第１絶縁層を介してチャンネルへ電流及びスピンが注入されやすい。また、チャンネルから第２絶縁層を介して磁化自由層へスピンが注入されやすい。これにより、スピン伝導素子の高速化及び省エネルギー化が図れる。
【００１１】
さらに、チャンネルのうち、第１領域、第２領域、第３領域、及び第４領域以外の領域では、キャリア濃度が比較的低いため、電気抵抗が比較的高い。よって、電気抵抗が比較的高い当該領域をスピンの伝導経路とすることにより、スピンが伝導しやすくなる。従って、スピンの散乱を抑制しつつ、良好なスピン伝導性及び電気抵抗特性を実現できる。
【００１２】
キャリア濃度とは、チャンネルに存在する多数キャリアの濃度である。チャンネルをｎ型とする場合、キャリア濃度は電子濃度である。チャンネルをｐ型とする場合、キャリア濃度は正孔濃度である。キャリア濃度は、例えば、ホール効果測定装置やゼーベック係数測定装置などにより測定することができる。なお、室温状態では、キャリア濃度は、半導体材料に注入される不純物の濃度とほぼ等しい。
【００１３】
また、第１領域、第２領域、第３領域、及び第４領域のそれぞれの最大のキャリア濃度を、１×１０１９〜１×１０２１ｃｍ−３とすることが好ましい。第１領域、第２領域、第３領域、及び第４領域のそれぞれの最大のキャリア濃度が、当該数値範囲内であると、当該各領域の電気抵抗を効果的に低くできる。故に、磁化固定層及び磁化自由層と、チャンネルとの間の導電性不整合を効果的に低減することができる。よって、第１及び第２絶縁層を間に介して接合された、チャンネルと、磁化固定層及び磁化自由層との接合界面において、スピンが散乱することを効果的に抑制できる。よって、スピン伝導素子の高速化及び省エネルギー化を効果的に図れる。
【００１４】
また、チャンネル全体の平均のキャリア濃度を、１×１０１６〜１×１０２０ｃｍ−３とすることが好ましい。チャンネル全体の平均のキャリア濃度が当該数値範囲内であると、スピン流や電流の経路における電気抵抗を比較的高くすることができ、チャンネルにおいてスピンが伝導しやすい。
【００１５】
また、チャンネル全体の平均のキャリア濃度を、１×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３とすることがより好ましい。チャンネル全体の平均のキャリア濃度が当該数値範囲内であると、チャンネルにおいてスピンがより伝導しやすい。
【００１６】
また、第１領域及び第２領域のそれぞれにおいて、接触面からキャリア濃度が最大となるまでの深さが、１０ｎｍ以内であることが好ましく、この場合、より良好なスピン伝導性が得られる。
【００１７】
また、第３領域及び第４領域のそれぞれにおいて、対向面からキャリア濃度が最大となるまでの深さが、１０ｎｍ以上であることが好ましく、この場合、よりスピン伝導素子の高速化及び省エネルギー化を効果的に図れる。
【００１８】
また、第３絶縁層と、下部電極とを更に備え、下部電極上に第３絶縁層が設けられており、第３絶縁層上にチャンネルが設けられている構成とすることが好ましい。下部電極に電圧を印加することにより、チャンネルに電荷を誘起できる。故に、チャンネルにおけるスピン拡散長を調整することができる。外部からの磁界によって磁化の向きが変化する磁化自由層の磁化の向きと、磁化固定層の磁化の向きとの相対角に応じて、磁化自由層とチャンネルとの間において、電圧出力が発生する。よって、スピン拡散長が長くなることにより、電圧出力を増大できる。さらに、下部電極が設けられていることにより、チャンネルに電場や磁場を与えることができる。故に、磁化自由層及び磁化固定層の間を流れるスピン流または電流に、下部電極から電場または磁場を印加することができる。従って、スピンの偏極方向を調節することが可能となる。また、スピンがチャンネル中を伝導する際に、チャンネル中の不純物によって、スピンが散乱される。故に、チャンネルのキャリア濃度を調整する場合、イオン打ち込みによる調整よりも、電場によって電荷を調整する方が、良い特性が得られる。
【００１９】
また、第１絶縁層と第２絶縁層との間において、チャンネル上に設けられた第４絶縁層と、第４絶縁層上に設けられた上部電極と、を更に備えることも好ましい。上部電極に電圧を印加することにより、チャンネルのうち第４絶縁層下の領域に電荷を誘起できる。故に、チャンネルのうち第４絶縁層下の領域におけるスピン拡散長を長くすることができる。よって、スピン拡散長が長くなることにより、当該電圧出力を増大できる。さらに、上部電極が設けられていることにより、チャンネルのうち第４絶縁層下の領域に電場や磁場を与えることができる。故に、磁化自由層及び磁化固定層の間を流れるスピン流または電流に、上部電極から電場または磁場を印加することができる。従って、スピンの偏極方向を調節することが可能となる。また、スピンがチャンネル中を伝導する際に、チャンネル中の不純物によって、スピンが散乱される。故に、チャンネルのキャリア濃度を調整する場合、イオン打ち込みによる調整よりも、電場によって電荷を調整する方が、良い特性が得られる。
【００２０】
また、第４絶縁層を酸化膜とすることが好ましい。酸化膜は、チャンネル上に容易に作製できる。
【００２１】
また、第１及び第２絶縁層を酸化マグネシウムとすることが好ましい。第１及び第２絶縁層に酸化マグネシウムを用いることにより、スピン注入効率が良くなる。
【００２２】
また、磁化自由層及び磁化固定層の材料を、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群から選択される金属、当該群の元素を１以上含む合金、又は、当該群から選択される１以上の元素及びＢ、Ｃ、及びＮからなる群から選択される１以上の元素を含む合金とすることが好ましい。これらの材料は軟磁性材料であるため、磁化自由層としての機能を好適に実現することが可能である。また、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、磁化固定層としての機能を好適に実現することが可能である。
【００２３】
また、磁化自由層及び磁化固定層には、形状異方性によって保磁力差を付けることが好ましい。これにより、保磁力差をつけるための反強磁性層を省略することが可能である。
【００２４】
また、磁化固定層の保持力を、磁化自由層の保磁力よりも大きくすることが好ましい。これにより、スピン伝導素子における磁化固定層及び磁化自由層としての機能を好適に実現することが可能である。
【００２５】
また、磁化固定層上に形成された反強磁性層を更に備え、反強磁性層により、磁化固定層の磁化の向きを固定することが好ましい。反強磁性層が磁化固定層と交換結合することにより、磁化固定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磁化固定層を得られる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、良好な特性を有するスピン伝導素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施形態に係るスピン伝導素子を示す斜視図である。
【図２】図１におけるII−II線に沿った断面図である。
【図３】図１におけるIII−III線に沿った断面図である。
【図４】（ａ）は、第１実施形態に係るスピン伝導素子を示す上面図である。（ｂ）は、（ａ）における領域Ｂを拡大した図である。
【図５】図２の変形例を示す断面図である。
【図６】第２実施形態に係るスピン伝導素子を示す断面図である。
【図７】図６におけるVII−VII線に沿った断面図である。
【図８】シリコンチャンネルのキャリア濃度分布の一例を示す模式図である。
【図９】（ａ）は、比較例で作成したスピン伝導素子における、印加磁場の強さ（Ｏｅ）と電圧出力（ｍＶ）との関係を示すグラフである。（ｂ）は、実施例１で作成したスピン伝導素子における、印加磁場の強さ（Ｏｅ）と電圧出力（ｍＶ）との関係を示すグラフである。
【図１０】実施例２で作成したスピン伝導素子における、印加磁場の強さ（Ｏｅ）と電圧出力（ｍＶ）との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
（第１実施形態）
【００２９】
図１は、スピン伝導素子１００Ａの斜視図である。図２は、図１におけるII−II線に沿った断面図である。図３は、図１におけるIII−III線に沿った断面図である。
【００３０】
図２に示すように、スピン伝導素子１００Ａ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１、シリコン酸化膜２、シリコンチャンネル７、絶縁層８、磁化固定層１２Ｂ、磁化自由層１２Ｃ、第１電極２０Ａ、及び第２電極２０Ｄを主として備えている。
【００３１】
シリコン基板１上に、シリコン酸化膜２及びシリコンチャンネル７がこの順に設けられている。シリコン基板１、シリコン酸化膜２、及びシリコンチャンネル７には、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いることができる。
【００３２】
絶縁層８は、トンネル磁気抵抗効果を発現させるための絶縁膜である。絶縁層８は、シリコンチャンネル７上に接して設けられている。図２に示す例では、絶縁層８は、第１絶縁層８１及び第２絶縁層８２からなる。磁化固定層１２Ｂは、第１絶縁層８１を介してシリコンチャンネル７上に設けられている。磁化自由層１２Ｃは、第２絶縁層８２を介してシリコンチャンネル７上に設けられている。第１電極２０Ａ及び第２電極２０Ｄは、シリコンチャンネル７上に配置されている。
【００３３】
シリコンチャンネル７は、スピンが伝導し拡散する層として機能する。シリコンチャンネル７は、主面９１と、主面９１に対向する裏面９２を有する。シリコンチャンネル７は、例えばシリコンを有する。シリコンチャンネル７には、一導電型を付与するための不純物が付与されており、シリコンチャンネル７全体は、すべて同一導電型を有する。例えば、シリコンチャンネル７をｐ型とする場合の不純物として、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎなどが挙げられる。例えば、シリコンチャンネル７をｎ型とする場合の不純物として、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂなどが挙げられる。
【００３４】
シリコンチャンネル７全体とは、シリコンチャンネル７のうち、第１電極２０Ａとの対向部から磁化固定層１２Ｂとの対向部までの部分、磁化固定層１２Ｂとの対向部から磁化自由層１２Ｃとの対向部までの部分、及び磁化自由層１２Ｃとの対向部から第２電極２０Ｄとの対向部までの部分を合わせたものであり、電子やスピンのチャンネルとして機能する部分である。本実施形態では、シリコンチャンネル７は直線状であるが、シリコンチャンネル７は曲線状でも、折れ曲がっていても良い。
【００３５】
シリコンチャンネル７への不純物添加が選択的に行われているため、シリコンチャンネル７内には、キャリア濃度に差がある。具体的には、シリコンチャンネル７のうちの第１絶縁層８１との接触面を含む第１領域７１、第２絶縁層８２との接触面を含む第２領域７２、第１電極２０Ａとの対向面を含む第３領域７４、及び第２電極２０Ｄとの対向面を含む第４領域７５のキャリア濃度は、シリコンチャンネル７全体の平均のキャリア濃度よりも高い。
【００３６】
磁化固定層１２Ｂと第１電極２０Ａとを電流源７０に接続することにより、磁化固定層１２Ｂに電流を流すことができる。磁化固定層１２Ｂに電流を流すことにより、磁化固定層１２Ｂの磁化の向きに対応するスピンを有する電子をシリコンチャンネル７へ注入することができる。また、磁化自由層１２Ｃと第２電極２０Ｄとに接続される電圧測定器８０により、シリコンチャンネル７と磁化自由層１２Ｃの間において発生する電圧出力を検出できる。
【００３７】
本実施形態のスピン伝導素子１００Ａでは、シリコンチャンネル７全体の平均のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有するような、第１絶縁層８１との接触面を含む第１領域７１、第２絶縁層８２との接触面を含む第２領域７２、第１電極２０Ａとの対向面を含む第３領域７４、及び第２電極２０Ｄとの対向面を含む第４領域７５が、シリコンチャンネル７内に設けられている。そして、磁化固定層１２Ｂは、第１絶縁層８１上に設けられており、磁化自由層１２Ｃは、第２絶縁層８２上に設けられている。このように、第１領域７１、第２領域７２、第３領域７４、及び第４領域７５では、キャリア濃度が比較的高いため、電気抵抗が比較的低い。よって、磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃの導電性と、シリコンチャンネル７の導電性とが整合されやすい。従って、シリコンチャンネル７と、第１絶縁層８１及び第２絶縁層８２との接合界面において、スピンの散乱を抑制できる。故に、磁化固定層１２Ｂから第１絶縁層８１を介してシリコンチャンネル７へ電流及びスピンが注入されやすい。また、シリコンチャンネル７から第２絶縁層８２を介して磁化自由層１２Ｃへスピンが注入されやすい。これにより、スピン伝導素子１００Ａの高速化及び省エネルギー化が図れる。
【００３８】
さらに、シリコンチャンネル７のうち第１領域７１、第２領域７２、第３領域７４、及び第４領域７５以外の領域では、キャリア濃度が比較的低いため、電気抵抗が比較的高い。よって、この電気抵抗が比較的高い領域をスピンの伝導経路とすることにより、スピンが伝導しやすくなる。従って、スピンの散乱を抑制しつつ、良好なスピン伝導性及び電気抵抗特性を実現できる。
【００３９】
例えば、シリコンチャンネル７のうち第１領域７１、第２領域７２、第３領域７４、及び第４領域７５のそれぞれの最大のキャリア濃度は、１×１０１９〜１×１０２１ｃｍ−３であることが好ましい。当該キャリア濃度の場合、第１絶縁層８１を間に介した磁化固定層１２Ｂとシリコンチャンネル７との界面、第２絶縁層８２を間に介した磁化自由層１２Ｃとシリコンチャンネル７との界面、第１電極２０Ａとシリコンチャンネル７との界面、及び第２電極２０Ｄとシリコンチャンネル７との界面における、ショットキー障壁が薄くなり、スピン流や電流の経路における電気抵抗を効果的に低くできる。故に、磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃと、シリコンチャンネル７との間の導電性不整合を効果的に低減することができる。よって、第１絶縁層８１及び第２絶縁層８２を間に介して接合された、シリコンチャンネル７と、磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃとの接合界面において、スピンが散乱することを効果的に抑制できる。よって、スピン伝導素子１００Ａの高速化及び省エネルギー化を効果的に図れる。
【００４０】
シリコンチャンネル７全体の平均のキャリア濃度は、１×１０１６〜１×１０２０ｃｍ−３であることが好ましく、この場合、シリコンチャンネル７のうち第１領域７１、第２領域７２、第３領域７４、及び第４領域７５以外の領域において、電気抵抗を比較的高くすることができ、スピンが伝導しやすい。また、シリコンチャンネル７全体の平均のキャリア濃度は、１×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３とすることがより好ましく、この場合、シリコンチャンネル７のうち第１領域７１、第２領域７２、第３領域７４、及び第４領域７５以外の領域においてスピンがより伝導しやすい。
【００４１】
シリコンチャンネル７のうち第１領域７１、第２領域７２、第３領域７４、及び第４領域７５の各領域内には、キャリア濃度に勾配があることが好ましい。
【００４２】
シリコンチャンネル７は、例えば１００ｎｍの厚さを有する。シリコンチャンネル７のうち第１領域７１及び第２領域７２のそれぞれにおいて、接触面からキャリア濃度が最大となるまでの深さＤ１は、１０ｎｍ以内であることが好ましく、この場合、より良好なスピン伝導性が得られる。
【００４３】
シリコンチャンネル７のうち第３領域７４及び第４領域７５のそれぞれにおいて、対向面からキャリア濃度が最大となるまでの深さＤ２は、１０ｎｍ以上であることが好ましく、この場合、よりスピン伝導素子の高速化及び省エネルギー化を効果的に図れる。
【００４４】
図８は、シリコンチャンネル７のキャリア濃度分布の一例を示す模式図である。図８中、磁化固定層１２Ｂ、磁化自由層１２Ｃ、絶縁層８、シリコンチャンネル７を示す。曲線５１は、シリコンチャンネル７のキャリア濃度分布の一例を示す。また、図８に、第１領域７１及び第２領域７２における、接触面からキャリア濃度が最大となるまでの深さＤ１も示す。
【００４５】
シリコンチャンネル７のうち、絶縁層８との接続界面付近の第１領域７１及び第２領域７２内において、キャリア濃度の最大部分Ｍを有する勾配がある。シリコンチャンネル７の主面９１側の部分Ｌにおけるキャリア濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３であり、キャリア濃度の最大部分Ｍにおけるキャリア濃度は、例えば１×１０２０ｃｍ−３である。キャリア濃度は、最大部分Ｍから徐々に減衰し、部分Ｎにおけるキャリア濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３である。
【００４６】
さらに、シリコンチャンネル７のうち、絶縁層８との接続界面付近の第１領域７１及び第２領域７２の部分Ｎから、裏面９２側の部分Ｏにかけて、キャリア濃度は徐々に減衰する分布を呈する。すなわち、シリコンチャンネル７の部分Ｎにおけるキャリア濃度が、例えば１×１０１８ｃｍ−３であり、シリコンチャンネル７の部分Ｏにおけるキャリア濃度が、例えば１×１０１５ｃｍ−３である。
【００４７】
図８では、第１領域７１及び第２領域７２におけるキャリア濃度分布の例を示したが、第３領域７４及び第４領域７５におけるキャリア濃度分布も同様の勾配を呈することができる。ただし、第３領域７４及び第４領域７５のそれぞれにおいて、対向面からキャリア濃度が最大となるまでの深さＤ２は、上述の深さＤ１よりも深いことが好ましい。
【００４８】
図３に示すように、シリコンチャンネル７は、側面に傾斜部を有しており、その傾斜角度θは、５０度〜６０度である。ここで、傾斜角度θとは、シリコンチャンネル７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７はウェットエッチングにより形成することができ、シリコンチャンネル７の上面は（１００）面であることが好ましい。
【００４９】
抵抗の増大を抑制し、トンネル絶縁層として機能させる観点から、図２に示す第１絶縁層８１及び第２絶縁層８２の膜厚は、３ｎｍ以下であることが好ましい。また、第１絶縁層８１及び第２絶縁層８２の膜厚は、１原子層厚を考慮して、０．４ｎｍ以上であることが好ましい。第１絶縁層８１及び第２絶縁層８２として、例えば、酸化マグネシウムが用いられる。第１絶縁層８１及び第２絶縁層８２に酸化マグネシウムを用いることにより、スピン注入効率が良くなる。
【００５０】
磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃは、強磁性材料からなる。磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃの材料として、例えば、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群から選択される金属、当該群の元素を１以上含む合金、又は、当該群から選択される１以上の元素及びＢ、Ｃ、及びＮからなる群から選択される１以上の元素を含む合金が挙げられる。これらの材料は軟磁性材料であるため、磁化自由層１２Ｃとしての機能を好適に実現することが可能である。また、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、磁化固定層１２Ｂとしての機能を好適に実現することが可能である。
【００５１】
第１電極２０Ａ及び第２電極２０Ｄとして、例えば、ＡｌなどのＳｉに対して低抵抗な非磁性金属を用いることができる。
【００５２】
シリコンチャンネル７の側面には、酸化膜７ａが形成されている。さらに、シリコンチャンネル７、酸化膜７ａ、第１絶縁層８１、第２絶縁層８２、磁化固定層１２Ｂ、磁化自由層１２Ｃ、第１電極２０Ａ、及び第２電極２０Ｄの側面上には、酸化膜７ｂが形成されている。また、シリコンチャンネル７の上面のうち、第１電極２０Ａ、第２電極２０Ｄ、及び絶縁層８の設けられていない部分には、酸化膜７ｂが形成されている。酸化膜７ｂは、第１絶縁層８１と第２絶縁層８２との間において、シリコンチャンネル７上に設けられている。
【００５３】
酸化膜７ｂにより、シリコンチャンネル７、第１絶縁層８１、第２絶縁層８２、磁化固定層１２Ｂ、磁化自由層１２Ｃ、第１電極２０Ａ、及び第２電極２０Ｄを保護することができ、劣化を抑制できる。酸化膜７ｂは、シリコン酸化膜とすることができる。シリコン酸化膜は、保護膜として好適である。また、シリコン酸化膜は、シリコンからなるシリコンチャンネル７上に容易に作製できる。
【００５４】
第１電極２０Ａ上及び酸化膜７ｂ（シリコンチャンネル７の傾斜した側面）上に、配線１８Ａが設けられている。同様に、磁化固定層１２Ｂ上及び酸化膜７ｂ（シリコンチャンネル７の傾斜した側面）上に、配線１８Ｂが設けられている。同様に、磁化自由層１２Ｃ上及び酸化膜７ｂ（シリコンチャンネル７の傾斜した側面）上に、配線１８Ｃが設けられている。同様に、第２電極２０Ｄ上及び酸化膜７ｂ（シリコンチャンネル７の傾斜した側面）上に、配線１８Ｄが設けられている。配線１８Ａ〜１８Ｄは、Ｃｕなどの導電性材料からなる。酸化膜７ｂ上に配線を設けることにより、この配線によりシリコンチャンネル７の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７へ電流が流れることを抑制でき、スピン注入効率を向上することができる。
【００５５】
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、シリコン酸化膜２上に形成されている。電極パッドＥ１〜Ｅ４は、Ａｕなどの導電性材料からなる。
【００５６】
図４（ａ）は、本発明に係るスピン伝導素子を示す上面図である。図４（ｂ）は、（ａ）における領域Ｂを拡大した図である。図４（ａ）に示すように、シリコンチャンネル７は、Ｙ方向を長軸とした直方体形状を有している。図４（ｂ）に示すように、配線１８Ｂの下には、磁化固定層１２Ｂが設けられている。配線１８Ｃの下には、磁化自由層１２Ｃが設けられている。磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃは、それぞれＸ方向を長軸とした直方体形状を有している。Ｙ方向における幅が、磁化固定層１２Ｂよりも磁化自由層１２Ｃの方が大きい。磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃは、Ｘ方向とＹ方向のアスペクト比の違いによって、反転磁場の差が付けられている。このように、磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃには、形状異方性によって保磁力差が付けられており、磁化固定層１２Ｂは、磁化自由層１２Ｃよりも保磁力が大きい。
【００５７】
以下、スピン伝導素子１００Ａの動作を説明する。図１に示すように、電極パッドＥ１及びＥ３を電流源７０に接続することにより、磁化固定層１２Ｂに検出用電流を流すことができる。強磁性体である磁化固定層１２Ｂから、絶縁層８を介して、非磁性のシリコンチャンネル７へ検出用電流が流れることにより、磁化固定層１２Ｂの磁化の向きに対応するスピンを有する電子がシリコンチャンネル７へ注入される。注入されたスピンは磁化自由層１２Ｃ側へ拡散していく。このように、シリコンチャンネル７に流れる電流及びスピン流が、主にＹ方向に流れる構造とすることができる。そして、外部からの磁界によって変化される磁化自由層１２Ｃ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７の磁化自由層１２Ｃ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７と磁化自由層１２Ｃの間において電圧出力が発生する。この電圧出力は、電極パッドＥ２及びＥ４に接続した電圧測定器８０により検出することができる。
【００５８】
以上、第１実施形態に係るスピン伝導素子について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、スピン伝導素子１００Ａにおいて、さらに、シリコン基板１を下部電極ＢＥとし、シリコン酸化膜（第３絶縁層）２をシリコンチャンネル７と下部電極ＢＥとを絶縁する層として機能させることができる。すなわち、スピン伝導素子１００Ａは、第３絶縁層と、下部電極ＢＥとを備え、下部電極ＢＥ上に第３絶縁層が設けられており、第３絶縁層上にシリコンチャンネル７が設けられている構成とすることもできる。そして、下部電極ＢＥであるシリコン基板１に電圧源９０を接続する。この場合、下部電極ＢＥに電圧を印加することにより、シリコンチャンネル７の裏面９２側に電荷を誘起できる。故に、シリコンチャンネル７におけるスピン拡散長を長くすることができる。よって、スピン拡散長が長くなることにより、電圧出力を増大できる。さらに、下部電極ＢＥが設けられていることにより、シリコンチャンネル７の裏面９２側から電場や磁場を与えることができる。故に、磁化自由層１２Ｃ及び磁化固定層１２Ｂの間を流れるスピン流または電流に、下部電極ＢＥから電場または磁場を印加することができる。従って、スピンの偏極方向を調節することが可能となる。
【００５９】
あるいは、下部電極ＢＥの代わりに、上部電極ＴＥを用いることもできる。図５に、図２の変形例を示す。図５に示すスピン伝導素子１００Ｂは、図２に示すスピン伝導素子１００Ａに、上部電極ＴＥを更に備えたものである。上部電極ＴＥは、酸化膜７ｂ（第４絶縁層）上に設けることができる。上部電極ＴＥに接続された電圧源９０から電圧を印加することにより、シリコンチャンネル７の主面９１側のうち、磁化固定層１２Ｂと磁化自由層１２Ｃとの間に、電荷を誘起できる。故に、シリコンチャンネル７におけるスピン拡散長を長くすることができる。よって、スピン拡散長が長くなることにより、当該電圧出力を増大できる。さらに、上部電極ＴＥが設けられていることにより、シリコンチャンネル７の主面９１側のうち、磁化固定層１２Ｂと磁化自由層１２Ｃとの間に、電場や磁場を与えることができる。故に、磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃの間を流れるスピン流または電流に、上部電極ＴＥから電場または磁場を印加することができる。従って、スピンの偏極方向を調節することが可能となる。なお、第３絶縁層及び第４絶縁層として、シリコン酸化膜を用いる例を示したが、第３絶縁層及び第４絶縁層は、酸化膜や窒化膜などの絶縁性材料からなれば良い。例えば、第３絶縁層及び第４絶縁層としてシリコン窒化膜などが挙げられる。
【００６０】
また、磁化自由層１２Ｃ及び第２電極２０Ｄ側を電流入力用として機能させ、磁化固定層１２Ｂ及び第１電極２０Ａ側を電圧出力用として機能させることも可能である。また、磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃに形状異方性によって保磁力差を付けるのではなく、例えば、磁化固定層１２Ｂ上に反強磁性層を更に備えても良い。反強磁性層は、磁化固定層１２Ｂの磁化の向きを固定するものとして機能する。反強磁性層が磁化固定層と交換結合することにより、磁化固定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磁化固定層が得られる。反強磁性層に用いられる材料は、磁化固定層に用いられる材料に合わせて選択される。例えば、反強磁性層として、Ｍｎを用いた反強磁性を示す合金、具体的にはＭｎと、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｆｅ，Ｒｕ，Ｃｒ，Ｐｄ，及びＮｉのうちから選ばれる少なくとも一つの元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、例えば、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎが挙げられる。
（第２実施形態）
【００６１】
第２実施形態では、スピン伝導素子１００Ｃと磁気記録部１００Ｄとを備える薄膜磁気記録再生ヘッド２００について説明する。図６に、第２実施形態に係る薄膜磁気記録再生ヘッド２００の部分断面図を示す。図７に、図６のVI−VI線に沿った断面図を示す。
【００６２】
薄膜磁気記録再生ヘッド２００は、そのエアベアリング面（Ａｉｒ  Ｂｅａｒｉｎｇ  Ｓｕｒｆａｃｅ：媒体対向面）Ｓが磁気記録媒体２０の記録面２０ａに対向配置されるような位置で磁気情報の記録及び読み取り動作を行う。磁気記録媒体２０は、記録面２０ａを有する記録層２０ｂと、記録層２０ｂに積層される軟磁性の裏打ち層２０ｃとを含んで構成されており、図６中のＺ方向で示す方向に、薄膜磁気記録再生ヘッド２００に対して相対的に進行する。
【００６３】
スピン伝導素子１００Ｃは、磁気記録媒体２０から記録を読み取る磁気センサーである。磁気記録部１００Ｄは、磁気記録媒体２０への記録を行う。スピン伝導素子１００Ｃ及び磁気記録部１００Ｄは、基板ＳＢ上に設けられており、アルミナ等の非磁性絶縁層により覆われている。基板ＳＢとして、ＡｌＴｉＣ基板を用いることができる。
【００６４】
スピン伝導素子１００Ｃの上に磁気記録部１００Ｄが設けられている。磁気記録部１００Ｄにおいて、リターンヨーク３０上にコンタクト部３２及び主磁極３３が設けられており、これらが、磁束のパスを形成している。コンタクト部３２を取り囲むように薄膜コイル３１が設けられており、薄膜コイル３１に記録電流を流すと主磁極３３の先端から磁束が放出され、ハードディスク等の磁気記録媒体２０の記録層２０ｂに情報を記録することができる。
【００６５】
スピン伝導素子１００Ｃは、シリコンチャンネル７と、シリコンチャンネル７上に第１絶縁層８１を介して配置された磁化固定層１２Ｂと、シリコンチャンネル７上に第２絶縁層８２を介して配置された磁化自由層１２Ｃと、シリコンチャンネル７上に配置された第１電極２０Ａ及び第２電極２０Ｄと、を備えている。シリコンチャンネル７のうちの第１絶縁層８１との接触面を含む第１領域７１、第２絶縁層８２との接触面を含む第２領域７２、第１電極２０Ａとの対向面を含む第３領域７４、及び第２電極２０Ｄとの対向面を含む第４領域７５のキャリア濃度は、シリコンチャンネル７全体の平均のキャリア濃度よりも高い。
【００６６】
シリコンチャンネル７全体とは、シリコンチャンネル７のうち、第１電極２０Ａとの対向部から磁化固定層１２Ｂとの対向部までの部分、磁化固定層１２Ｂとの対向部から磁化自由層１２Ｃとの対向部までの部分、磁化自由層１２Ｃとの対向部から第２電極２０Ｄとの対向部までの部分を合わせたものであり、電子やスピンのチャンネルとして機能する部分である。また、本実施形態では、シリコンチャンネル７がＬ字形状であるが、シリコンチャンネル７の形状はこれに限定されない。例えば、シリコンチャンネル７は曲線状でも良い。
【００６７】
スピン伝導素子１００Ｃは、シリコンチャンネル７及び磁化自由層１２Ｃを間に挟んで対向する上部第１磁気シールド層１１及び下部第１磁気シールド層２１と、シリコンチャンネル７及び磁化固定層１２Ｂを間に挟んで対向する上部第２磁気シールド層１２及び下部第２磁気シールド層２２と、下部第２磁気シールド層２２とシリコンチャンネル７との間に設けられた絶縁層２３と、を更に備える。
【００６８】
シリコンチャンネル７は、スピン注入によりスピンが蓄積される層であり、下部第１磁気シールド層２１及び絶縁層２３により形成される平面上に設けられている。第２実施形態のスピン伝導素子１００Ｃのシリコンチャンネルには、第１実施形態のスピン伝導素子１００Ａのシリコンチャンネルと同様のキャリア濃度分布が適用でき、第１領域７１、第２領域７２、第３領域７４、第５領域７５の深さも同様に適用できる。
【００６９】
磁化自由層１２Ｃは、外部磁界を検出し、磁気記録媒体２０などの磁化方向の変化を鋭敏に検出するための層である。磁化自由層１２Ｃは、シリコンチャンネル７の上面上においてシリコンチャンネル７の磁束が進入する側すなわちエアベアリング面Ｓ側に配置されている。磁化自由層１２Ｃを磁気記録媒体２０に近接して設置することにより、磁気記録媒体２０から磁気情報を好適に読み取ることが可能である。
【００７０】
磁化固定層１２Ｂは、所定のスピンを有する電子をシリコンチャンネル７へ注入するための層であり、磁化固定層１２Ｂは、シリコンチャンネル７の上面上においてシリコンチャンネル７の磁束が進入する側の反対側、すなわち、エアベアリング面Ｓから離れた側に配置されている。
【００７１】
第１電極２０Ａは、磁化固定層１２Ｂへ検出用電流を流すための電極である。第１電極２０Ａは、シリコンチャンネル７のうち、シリコンチャンネル７全体の平均のキャリア濃度より高い領域７４と接続可能な位置に設けられていればよい。図６に示す例では、第１電極２０Ａは、シリコンチャンネル７の下面上において、エアベアリング面Ｓとは反対側に絶縁層２３と隣接して設けられている。図６では、第１電極２０Ａを介して、シリコンチャンネル７は下部第２磁気シールド層２２と電気的に接続している。従って、第１電極２０Ａ下に設けられている下部第２磁気シールド層２２を磁化固定層１２Ｂへ検出用電流を流すための電極として用いることができる。第１電極２０Ａとして、例えば、Ｃｕ、ＣｒやＡｌなどの金属材料が用いられる。なお、下部第２磁気シールド層２２を電極として用いない場合には、第１電極２０Ａを例えばシリコンチャンネル７上において、エアベアリング面Ｓとは反対側に設けることができる。
【００７２】
次に、図７を用いて、図６に示したスピン伝導素子１００ＣのＸ方向に平行な断面形状を説明する。第２電極２０Ｄは、シリコンチャンネル７と上部第１磁気シールド層１１との間に生じる電圧を検出するための電極である。第２電極２０Ｄは、シリコンチャンネル７に接続可能な位置に設けられていればよい。図６及び図７に示す例では、第２電極２０Ｄは、シリコンチャンネル７上において、エアベアリング面Ｓ側に設けられている。
【００７３】
絶縁層８の第２絶縁層８２は、後述する絶縁層１４の厚さｔと等しいことが好ましい。これは、磁化自由層１２Ｃの厚さと、後述する永久磁石１５の厚さを揃えるためであり、これにより磁化自由層１２Ｃの磁区構造の安定化をより均一に行うことが可能となる。
【００７４】
絶縁層１４は、シリコンチャンネル７及び磁化自由層１２Ｃと永久磁石１５との間に設けられ、シリコンチャンネル７及び磁化自由層１２Ｃと永久磁石１５とを絶縁するためのものである。絶縁層１４として、シリコン酸化膜などが用いられる。
【００７５】
永久磁石１５は、絶縁層１４を介して、磁化自由層１２Ｃの両側に配置されている。永久磁石１５からの漏洩磁束を用いて、磁化自由層１２Ｃにバイアス磁界を印加することにより、磁化自由層１２Ｃの磁区構造を安定化（一軸化）することが可能となる。これにより、磁壁の移動に起因するバルクハウゼンノイズを抑制することが可能となる。
【００７６】
図６に示す例では、磁化固定層１２Ｂの磁化固定方法として、反強磁性層ＡＮを用いている。反強磁性層ＡＮは、磁化固定層１２Ｂ上に設けられている。
【００７７】
参照電極１９は、上部第２磁気シールド層１２を電極として磁化固定層１２Ｂに電流を流すべく、上部第２磁気シールド層１２と反強磁性層ＡＮとを電気的に接続するための層である。なお、反強磁性層ＡＮが存在しない場合には、参照電極１９は、磁化固定層１２Ｂと接触することとなる。なお、参照電極１９は、上部第２磁気シールド層１２と反強磁性層ＡＮや磁化固定層１２Ｂとの間の原子の拡散等を抑制する効果もある。なお、参照電極１９を有さず、上部第２磁気シールド層１２と反強磁性層ＡＮ又は磁化固定層１２Ｂとが接触していても実施は可能である。参照電極１９の材料として、例えば、ＣｒやＡｌなどの金属材料が用いられる。
【００７８】
上部第１磁気シールド層１１及び上部第２磁気シールド層１２は、上部磁気シールド層を構成し、外部、特にスピン伝導素子１００Ｃの上部から、磁化自由層１２Ｃ、磁化固定層１２Ｂに侵入する磁気をそれぞれ遮断する。上部第１磁気シールド層１１は、上部第２磁気シールド層１２よりもシリコンチャンネル７に近く配置されていることが好ましい。また、上部第１磁気シールド層１１は磁化自由層１２Ｃに接触していることが好ましい。磁化固定層１２Ｂについては、反強磁性層ＡＮや参照電極１９等によって、シリコンチャンネル７と上部第２磁気シールド層１２との間隔が大きくなりやすい傾向があるが、上部第１磁気シールド層１１を、上部第２磁気シールド層１２よりもシリコンチャンネル７に近づけることにより、磁化自由層１２Ｃにおいて、上部第１磁気シールド層１１と下部第１磁気シールド層２１との間隔を狭くしやすい。
【００７９】
図６に示すように、上部第１磁気シールド層１１は磁化自由層１２Ｃ上に形成されている。一方、上部第２磁気シールド層１２は、磁化固定層１２Ｂ、反強磁性層ＡＮ、及び、参照電極１９からなる層構造の上に形成されている。そして、本実施形態では、上部第１磁気シールド層１１と上部第２磁気シールド層１２とは、互いに独立して設けられている。これにより、上部第１磁気シールド層１１を磁化自由層１２Ｃ用の電極として、上部第２磁気シールド層１２を磁化固定層１２Ｂ用の電極としてそれぞれ利用することができる。
【００８０】
下部第１磁気シールド層２１及び下部第２磁気シールド層２２は、下部磁気シールド層を構成し、外部、特にスピン伝導素子１００Ｃの下部から、磁化自由層１２Ｃ、磁化固定層１２Ｂに侵入する磁気をそれぞれ遮断するためのものである。下部第１磁気シールド層２１は下部第２磁気シールド層２２よりもシリコンチャンネル７に近く配置されている。
【００８１】
下部第１磁気シールド層２１、下部第２磁気シールド層２２、上部第１磁気シールド層１１、及び上部第２磁気シールド層１２の材料として、例えばＮｉ及びＦｅを含む合金、センダスト、Ｆｅ及びＣｏを含む合金、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉを含む合金等の軟磁性体材料が挙げられる。
【００８２】
絶縁層２３は、シリコンチャンネル７と、下部第１磁気シールド層２１及び下部第２磁気シールド層２２との間に設けられている。絶縁層２３は、シリコンチャンネル７に蓄積させる電子のスピンが、下部第１磁気シールド層２１及び下部第２磁気シールド層２２側へ流出することを防ぐものである。絶縁層２３として、例えばシリコン酸化膜が挙げられる。
【００８３】
絶縁層４３は、参照電極１９の両端に形成されている。絶縁層４３として、例えばシリコン酸化膜が挙げられる。なお、絶縁層４３は省略することが可能である。
【００８４】
以下に、第２実施形態に係るスピン伝導素子１００Ｃの動作の例について、図６及び図７を用いて説明する。磁化固定層１２Ｂへ検出用電流を流すために、下部第２磁気シールド層２２と、上部第２磁気シールド層１２とを、電流源７０に電気的に接続する。また、第２電極２０Ｄ及び上部第１磁気シールド層１１を、電圧測定器８０に電気的に接続する。
【００８５】
まず、スピン伝導素子１００Ｃの磁化固定層１２Ｂへ検出用電流Ｉを流す。例えば、図６に示すように、電流源７０から検出用電流Ｉを、上部第２磁気シールド層１２、参照電極１９、反強磁性層ＡＮ、磁化固定層１２Ｂ、シリコンチャンネル７、第１電極２０Ａ、下部第２磁気シールド層２２の順に流す。このように強磁性体である磁化固定層１２Ｂからシリコンチャンネル７へ検出用電流Ｉを流すと、磁化固定層１２Ｂとシリコンチャンネル７との界面からシリコンチャンネル７内に磁化固定層１２Ｂの磁化の向きに対応するスピンが注入される。このスピンは、シリコンチャンネル７内をさらに磁化固定層１２Ｂ側から磁化自由層１２Ｃ側に向かって拡散する。外部からの磁界によって磁化の向きが変化する磁化自由層１２Ｃの磁化の向きと、磁化固定層１２Ｂの磁化の向きとの相対角に応じて、磁化自由層１２Ｃとシリコンチャンネル７との間において互いに異なる電圧出力が発生する。本実施形態では、シリコンチャンネル７と上部第１磁気シールド層１１との間に生じる電圧を電圧測定器８０で検出している。このようにして、スピン伝導素子１００Ｃを外部磁場センサーとして用いることができる。
【００８６】
第２実施形態に係るスピン伝導素子１００Ｃによれば、シリコンチャンネル全体の平均のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有するような、第１絶縁層８１との接触面を含む第１領域７１、第２絶縁層８２との接触面を含む第２領域７２、第１電極２０Ａとの対向面を含む第３領域７４、及び第２電極２０Ｄとの対向面を含む第４領域７５が、シリコンチャンネル７内に設けられている。そして、磁化固定層１２Ｂは、第１絶縁層８１上に設けられており、磁化自由層１２Ｃは、第２絶縁層８２上に設けられている。このように、第１領域７１、第２領域７２、第３領域７４、及び第４領域７５では、キャリア濃度が比較的高いため、電気抵抗が比較的低い。よって、磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃの導電性と、シリコンチャンネル７の導電性とが整合されやすい。従って、シリコンチャンネル７と、第１絶縁層８１及び第２絶縁層８２との接合界面において、スピンの散乱を抑制できる。故に、磁化固定層１２Ｂから第１絶縁層８１を介してシリコンチャンネル７へ電流及びスピンが注入されやすい。また、シリコンチャンネル７から第２絶縁層８２を介して磁化自由層１２Ｃへスピンが注入されやすい。これにより、スピン伝導素子の高速化及び省エネルギー化が図れる。
【００８７】
さらに、シリコンチャンネル７のうち第１絶縁層８１と接する領域７１、第２絶縁層８２と接する領域７２、第１電極２０Ａと接する領域７４、及び第２電極２０Ｄと接する領域７５以外の領域では、キャリア濃度が比較的低いため、電気抵抗が比較的高い。よって、この電気抵抗が比較的高い領域をスピンの伝導経路とすることにより、スピンが伝導しやすくなる。従って、スピンの散乱を抑制しつつ、良好なスピン伝導性及び電気抵抗特性を実現できる。
【００８８】
以上、第１及び第２実施形態で本発明を説明したが、本発明はこれに限定されない。第１及び第２実施形態では、チャンネルとしてシリコンからなるチャンネルを用いる例を示したが、チャンネルは半導体材料からなれば良い。例えば、半導体材料からなるチャンネルとして、ＧａＡｓなどの化合物半導体などを用いることができる。
【００８９】
以下、実施例１及び２に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例１及び２に限定されるものではない。
（実施例１）
【００９０】
シリコン基板、シリコン酸化膜（厚さ２００ｎｍ）、及びシリコン膜（厚さ１００ｎｍ）からなるＳＯＩ基板を準備した。フォトリソグラフィー法により、ＳＯＩ基板にアライメントマークを作成した。シリコン膜のうち、磁化固定層、磁化自由層、第１電極、及び第２電極が後の工程で形成される部分以外に、シリコン酸化膜を成膜してマスクを形成した。
【００９１】
まず、第１のイオン注入を行った。具体的には、シリコン膜のうち第１電極及び第２電極が後の工程で形成される部分に、ｎ型の導電性を付与するための不純物イオン注入を選択的に行った。不純物として、Ｐを用いた。次いで、第２のイオン注入を行った。具体的には、シリコン膜のうち磁化固定層及び磁化自由層が後の工程で形成される部分に、ｎ型の導電性を付与するための不純物イオン注入を選択的に行った。不純物として、Ｐを用いた。
【００９２】
そして、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。アニール温度は、９００℃とした。シリコン膜全体の平均の電子濃度が１×１０１８ｃｍ−３となるようにした。また、シリコン膜のうち、後の工程で形成される第１絶縁層との接触面を含む第１領域、第２絶縁層との接触面を含む第２領域、第１電極との対向面を含む第３領域、及び第２電極との対向面を含む第４領域のそれぞれの最大の電子濃度が、１×１０２０ｃｍ−３となるようにした。さらに、当該第１及び第２領域において、それぞれの電子濃度が最大の部分からシリコン膜の裏面に向かって、電子濃度が、１×１０２０ｃｍ−３から１×１０１８ｃｍ−３に減衰する分布となるようにした。
【００９３】
また、シリコン膜のうち、当該第１及び第２領域のそれぞれにおいて、接触面から電子濃度が最大となるまでの深さが、１０ｎｍとなるようにした。また、シリコン膜のうち、当該第３及び第４領域のそれぞれにおいて、接触面から電子濃度が最大となるまでの深さが、１０ｎｍとなるようにした。
【００９４】
その後、洗浄により、シリコン膜の表面の付着物、有機物、酸化膜、及びマスクの除去をした。洗浄液として、ＨＦを用いた。
【００９５】
続いて、シリコン膜上に、酸化マグネシウム膜（厚さ０．８ｎｍ）を超高真空電子ビーム蒸着法により成膜した。さらに、酸化マグネシウム膜上に、鉄膜（厚さ１０ｎｍ）、チタン膜、及びタンタル膜をこの順にＭＢＥ法により成膜した。なお、チタン膜及びタンタル膜は、磁化固定層となる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。チタン膜及びタンタル膜はアモルファスであるため、鉄膜の結晶性への影響は少ない。
【００９６】
その後、酸化マグネシウム膜、鉄膜、チタン膜、及びタンタル膜をイオンミリングによりパターニングした。酸化アルミニウム膜、酸化マグネシウム膜、鉄膜、チタン膜、タンタル膜、及びレジストをマスクとして、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を得た。この際、シリコンチャンネルのサイズは、２３μｍ×３００μｍとした。また、得られたシリコンチャンネルの側面を酸化させて、シリコン酸化膜を形成した。
【００９７】
その後、イオンミリング及び化学的なエッチングにより鉄膜をパターニングして、磁化固定層及び磁化自由層をそれぞれ得た。磁化固定層及び磁化自由層とシリコンチャンネルとの間以外に位置する酸化膜マグネシウム膜を除去した。これにより、第１絶縁層及び第２絶縁層を得た。露出したシリコンチャンネルの一端側と他端側に、Ａｌ膜を形成し、第１電極及び第２電極をそれぞれ得た。
【００９８】
さらに、シリコンチャンネル側壁のシリコン酸化膜、酸化マグネシウムからなる第１絶縁層及び第２絶縁層、磁化固定層、磁化自由層、第１電極、及び第２電極の側面上と、シリコンチャンネルの上面のうち、磁化固定層、磁化自由層、第１電極、及び第２電極の形成されていない部分とに、シリコン酸化膜を形成した。
【００９９】
次に、第１電極、磁化固定層、磁化自由層、及び第２電極上に配線をそれぞれ形成した。配線として、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、各配線の端部にそれぞれ電極パッドを形成した。電極パッドとして、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１００Ａ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。
（実施例２）
【０１００】
ＡｌＴｉＣ基板を洗浄し、表面の不純物を除去した。ＡｌＴｉＣ基板上にＮｉＦｅ膜を５０ｎｍ成膜した。ＮｉＦｅ膜をミリングで削り、下部磁気シールド層を得た。ＮｉＦｅ膜上にシリコン酸化膜を５０ｎｍ成膜した。ＮｉＦｅ膜までシリコン酸化膜の一部をミリングで削り、Ｃｕ膜及びＡｌ膜で埋めた。シリコン酸化膜及びＡｌ膜の表面が平坦になるように化学機械研磨法により研磨した。研磨後のＣｕ膜及びＡｌ膜は、第１電極として機能する。平坦化されたシリコン酸化膜及びＡｌ膜上に、多結晶シリコンを成膜した。炭酸ガスレーザーによるパルス照射を用い、多結晶シリコンを単結晶からなるシリコン膜にして、シリコンチャンネルを得た。レーザー照射温度は、多結晶シリコンが溶融して単結晶シリコンとなる温度とした。
【０１０１】
実施例１と同様に、シリコン膜に２度のイオン注入、拡散アニール、及び洗浄をした。さらに、シリコン膜上に、酸化マグネシウム膜、鉄膜、チタン膜、及びタンタル膜を成膜し、イオンミリングや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、シリコンチャンネル、磁化固定層及び磁化自由層をそれぞれ得た。次いで、酸化マグネシウムの一部を除去して露出したシリコンチャンネル上に、第２電極を形成した。さらに、ウェットエッチングにより露出したシリコンチャンネル上に、酸化膜を形成した。
【０１０２】
ついで、磁化固定層上のチタン膜、及びタンタル膜を取り除き、露出した鉄膜上にＩｒＭｎを成膜し、反強磁性膜を得た。磁化自由層上にＮｉＦｅ膜を成膜し、さらに、ＮｉＦｅ膜を電極として配線した。反強磁性膜の上にＮｉＦｅ膜を成膜し、さらに、ＮｉＦｅ膜を電極として配線した。こうして、図６及び７に示すスピン伝導素子１００Ｃと同様の構成を有する実施例２のスピン伝導素子を作成した。
（比較例）
【０１０３】
比較例では、イオン注入を１度だけ行った以外は、実施例１と同様の方法により、スピン伝導素子を作成した。１度のイオン注入により、シリコン膜全体の平均の電子濃度が１×１０２０ｃｍ−３となるようにした。
＜出力電圧の評価＞
【０１０４】
実施例１〜２及び比較例で作製したスピン伝導素子に対して外部磁界を印加し、これに応じて出力される出力電圧を測定した。具体的には、電流源からの検出用電流を磁化固定層へ流すことにより、磁化固定層からシリコンチャンネル層へスピンを注入した。そして、外部磁場による磁化自由層の磁化変化に基づく電圧出力を電圧測定器により測定した。
【０１０５】
その結果を図９及び図１０に示す。図９及び図１０は、印加磁場の強さ（Ｏｅ）と電圧出力（ｍＶ）との関係を示すグラフである。図９（ａ）は、比較例のスピン伝導素子に関し、図９（ｂ）は、実施例１のスピン伝導素子に関する。図１０は、実施例２のスピン伝導素子に関する。図９及び図１０中、Ｇ１，Ｇ３,Ｇ５は印加磁場を徐々に強くした場合、Ｇ２，Ｇ４,Ｇ６は印加磁場を徐々に弱くした場合を示す。
【０１０６】
図９（ａ）のＧ１及びＧ２に示されるように、比較例のスピン伝導素子では、約０．００８ｍＶ（８μＶ）の電圧出力であった。対して、図９（ｂ）のＧ３及びＧ４に示されるように、実施例１のスピン伝導素子では、約０．１０ｍＶ（１００μＶ）の電圧出力であった。
【０１０７】
実施例１のシリコン膜全体の平均の電子濃度（１×１０１８ｃｍ−３）は、比較例のシリコン膜全体の平均の電子濃度（１×１０２０ｃｍ−３）の１００分の１である。すなわち、実施例１のスピン伝導素子の方が比較例のスピン伝導素子よりも電気抵抗が１００倍高い。電気抵抗が高いほどスピンは伝導しやすい。理論的には、シリコンの電気抵抗が１００倍になると、電圧出力は１００倍以上になることが予想される。しかし、実施例１は比較例の１０倍強の電圧出力であった。これは、シリコン膜のうち、第１絶縁層との接触面を含む第１領域、第２絶縁層との接触面を含む第２領域、第１電極との対向面を含む第３領域、及び第２電極との対向面を含む第４領域のそれぞれの最大の電子濃度が、１×１０２０ｃｍ−３となっているため、スピン注入がされやすくなったものの、高濃度の電子によってスピンが一部散乱されたためであると推測される。
【０１０８】
また、図１０のＧ４及びＧ５に示されるように、実施例２のスピン伝導素子では、約０．０５ｍＶ（５０μＶ）の電圧出力であった。なお、実施例１及び比較例と、実施例２とでは、磁化固定層及び磁化自由層の構造が異なるため、図９及び図１０では、反転磁場や波形が異なっている。
【０１０９】
以上のように、実施例１及び２のスピン伝導素子の電圧出力の方が、比較例のスピン伝導素子の電圧出力よりも高いことが分かる。
【符号の説明】
【０１１０】
１…シリコン基板、２…シリコン酸化膜、７…シリコンチャンネル（半導体材料からなるチャンネル）、７ａ…酸化膜、７ｂ…酸化膜、８１…第１絶縁層、８２…第２絶縁層、１２Ｂ…磁化固定層、１２Ｃ…磁化自由層、１８Ａ〜１８Ｄ…配線、２０Ａ…第１電極、２０Ｄ…第２電極、１００Ａ,１００Ｂ,１００Ｃ…スピン伝導素子、Ｅ１〜Ｅ４…電極パッド。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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