(57)【要約】【課題】チャンネル層に電荷が必要以上に蓄積することを抑制し、素子破壊を抑制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１００は、所定方向に延び、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、第１電極２０Ａ、磁化固定層１２Ｂ、磁化自由層１２Ｃ、及び第２電極２０Ｄは、チャンネル７上に所定方向に沿ってこの順に配置され、チャンネル７は、所定方向において、第１電極２０Ａ及び第２電極２０Ｄの少なくとも一方よりも外側にまで延在していることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定方向に延び、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、
前記第１電極、前記磁化固定層、前記磁化自由層、及び前記第２電極は、前記チャンネル上に前記所定方向に沿ってこの順に配置され、
前記チャンネルは、前記所定方向において、前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも一方よりも外側にまで延在している、スピン伝導素子。
【請求項２】
接地用電極を更に備え、
前記接地用電極は、前記チャンネルのうち前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも一方よりも外側に延在している部分上に設けられている、請求項１または２に記載のスピン伝導素子。
【請求項３】
第３絶縁層を更に備え、
前記第３絶縁層は、
前記チャンネル、前記磁化固定層、前記磁化自由層、前記第１電極、前記第２電極、及び前記接地用電極の側面上と、
前記磁化固定層及び前記磁化自由層の間と、
前記第１電極及び前記磁化固定層の間と、
前記第２電極及び前記磁化自由層の間と、並びに
前記接地用電極及び前記第１電極または前記第２電極の間と、に設けられている、請求項３に記載のスピン伝導素子。
【請求項４】
前記第３絶縁層が酸化膜である、請求項３に記載のスピン伝導素子。
【請求項５】
前記チャンネルのうち前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも一方よりも外側に延在している部分に連結し、かつ前記チャンネルの周囲に配置された環状の周囲層を更に備える、請求項１または２に記載のスピン伝導素子。
【請求項６】
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１〜５のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
【請求項７】
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１〜６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１〜７のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
【請求項９】
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１〜８のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
【請求項１０】
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１〜９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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
スピン伝導素子として、強磁性材料からなる磁化自由層及び磁化固定層と、半導体材料からなるチャンネル層とを接続する、いわゆるショットキー接合タイプが知られている。ショットキー接合タイプの場合、界面の影響による特性のばらつきが大きい傾向にある。一方、強磁性材料からなる磁化自由層及び磁化固定層と、半導体材料からなるチャンネル層との間に、トンネル絶縁層を挿入する方法が知られている。トンネル絶縁層を挿入する場合、特性が安定するという利点がある。
【０００５】
また、スピン流がチャンネル層の外側へ漏れ出ないように、チャンネル層の表面が、スピン抵抗が高い膜あるいは絶縁膜によって、覆われている。すなわち、チャンネル層は、トンネル絶縁層や、スピン抵抗が高い膜あるいは絶縁膜によって、外側の領域と分離されていた。
【０００６】
しかしながら、チャンネル層が電気的に外側の領域と孤立すると、素子作成時や回路形成時などに、電荷がチャンネル層内に蓄積してしまう場合がある。チャンネル層内における電荷の蓄積が許容量を超えると、素子破壊が生じるといった問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、半導体材料からなるチャンネル層に電荷が必要以上に蓄積することを抑制し、素子破壊を抑制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、所定方向に延び、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、第１電極、磁化固定層、磁化自由層、及び第２電極は、チャンネル上に所定方向に沿ってこの順に配置され、チャンネルは、所定方向において、第１電極及び第２電極の少なくとも一方よりも外側にまで延在していることを特徴とする。
【０００９】
本発明のスピン伝導素子では、半導体材料からなるチャンネルが、第１電極及び第２電極の少なくとも一方よりも外側に延在している。故に、第１電極及び第２電極の少なくとも一方よりも外側に延在しているチャンネルの部分をアース（接地）することができる。よって、電荷が、チャンネル内に必要以上に蓄積することを抑制できる。従って、素子作成時や回路形成時などに、素子破壊が生じることを抑制できる。また、接地部分が、チャンネルのうち、第１電極及び第２電極の少なくとも一方よりも外側に延在している部分であるため、スピン流のリークや電流のリークが抑制され、スピン伝導素子の動作に悪影響を与え難い。
【００１０】
また、接地用電極を更に備え、接地用電極は、チャンネルのうち第１電極及び第２電極の少なくとも一方よりも外側に延在している部分上に設けられていることが好ましい。これにより、チャンネル内に蓄積した電荷を接地用電極から、チャンネルの外側へ好適に逃がすことができる。
【００１１】
さらに、第３絶縁層を更に備え、第３絶縁層は、チャンネル、磁化固定層、磁化自由層、第１電極、第２電極、及び接地用電極の側面上と、磁化固定層及び磁化自由層の間と、第１電極及び磁化固定層の間と、第２電極及び磁化自由層の間と、並びに接地用電極及び第１電極または第２電極の間と、に設けられていることが好ましい。これにより、スピン流がチャンネルの外側へ漏れ出ることを防ぎつつ、電荷をチャンネルの外側へ逃すことができる。故に、良好なスピン伝導を保ちつつ、素子破壊を抑制できる。
【００１２】
また、第３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。
【００１３】
また、チャンネルのうち第１電極及び第２電極の少なくとも一方よりも外側に延在している部分に連結し、かつチャンネルの周囲に配置された環状の周囲層を更に備えることが好ましい。これにより、環状の周囲層から容易に接地することができる。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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】
【００１９】
本発明によれば、電荷が、半導体材料からなるチャンネルに必要以上に蓄積することを抑制し、素子破壊を抑制可能な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】
【００２０】
【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】スピン伝導素子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斜視図である。
【図７】第２実施形態に係るスピン伝導素子を示す上面図である。
【図８】シリコン膜をパターニングする際に用いるマスクの上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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）
【００２２】
第１実施形態では、スピン伝導素子１００のチャンネルが島状あるいは細線状である例を示す。図１は、スピン伝導素子１００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。
【００２３】
図２に示すように、スピン伝導素子１００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、絶縁層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。
【００２４】
シリコン基板１上に、絶縁層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。絶縁層２として、例えば酸化シリコンや窒化シリコンが挙げられる。シリコン基板１、絶縁層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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。第１電極２０Ａと第２電極２０Ｄとの間に、磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃが配置されている。
【００２８】
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、例えばシリコンを有する。シリコンチャンネル７は、所定方向Ａｘに延びている。所定方向Ａｘは、Ｙ軸方向に平行とする。
【００２９】
図２では、シリコンチャンネル７上において、所定方向Ａｘに沿って、第１電極２０Ａ、磁化固定層１２Ｂ、磁化自由層１２Ｃ、及び第２電極２０Ｄがこの順に配置されている例を示す。
【００３０】
シリコンチャンネル７は、第１電極２０Ａ及び第２電極２０Ｄよりも外側に延在している。故に、シリコンチャンネル７をアース（接地）することができるので、電荷がシリコンチャンネル７内に必要以上に蓄積することを抑制できる。従って、素子作成時や回路形成時などに、素子破壊が生じることを抑制できる。また、シリコンチャンネルのうち、第１電極及び第２電極の少なくとも一方よりも外側に延在している部分を接地部分とすることができるため、スピン流や電流のリークが抑制され、スピン伝導素子の動作に悪影響を与え難い。
【００３１】
以下、シリコンチャンネル７について、より具体的に説明する。シリコンチャンネル７は、第１電極２０Ａ及び第２電極２０Ｄにおける、磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃが設けられている側とは反対側に向かって、第１電極２０Ａ及び第２電極２０Ｄよりも外側に延在している。シリコンチャンネル７の一端Ｐが、第１電極２０Ａの端部のうち、磁化固定層１２Ｂ側とは反対側の端部５１よりも外側に延在している。また、シリコンチャンネル７の他端Ｑが、第２電極２０Ｄの端部のうち、磁化自由層１２Ｃ側とは反対側の端部５３よりも外側に延在している。
【００３２】
シリコンチャンネル７は、所定方向Ａｘを長軸とする、例えば、島状、直方体形状あるいは細線状である。シリコンチャンネル７の全長Ｌ１は、第１電極２０Ａの磁化固定層１２Ｂ側とは反対側の端部５１から、第２電極２０Ｄの磁化自由層１２Ｃ側とは反対側の端部５３までの長さＬ２よりも長い。これにより、シリコンチャンネル７において、第１電極２０Ａの端部のうち、磁化固定層１２Ｂ側とは反対側の端部５１よりも外側の部分、または第２電極２０Ｄの端部のうち、磁化自由層１２Ｃ側とは反対側の端部５３よりも外側の部分を、接地させるための部分として用いることができる。シリコンチャンネル７の全長Ｌ１とは、シリコンチャンネル７の一端Ｐから他端Ｑまでの長さをいう。
【００３３】
接地用電極Ｓ１は、シリコンチャンネル７のうち第１電極２０Ａよりも外側に延在している部分上に設けられている。具体的には、接地用電極Ｓ１は、シリコンチャンネル７の上面のうち、磁化固定層１２Ｂ側とは反対側の第１電極２０Ａの端部５１よりも外側の上面に設けられている。接地用電極Ｓ１は、接地用回路６１に接続されている。故に、シリコンチャンネル７内に蓄積した電荷を接地用回路６１へ逃がすことができる。図２では、シリコンチャンネル７上において、所定方向Ａｘに、接地用電極Ｓ１、第１電極２０Ａ、磁化固定層１２Ｂ、磁化自由層１２Ｃ、及び第２電極２０Ｄがこの順に一列に配置されている例を示す。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。接地用電極Ｓ１には、導電性材料が用いられる。
【００３８】
シリコンチャンネル７の側面には、側面用絶縁層７ａが形成されている。さらに、第３絶縁層７ｂが、シリコンチャンネル７、磁化固定層１２Ｂ、磁化自由層１２Ｃ、第１電極２０Ａ、第２電極２０Ｄ、及び接地用電極Ｓ１の側面上と、磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃの間と、第１電極２０Ａ及び磁化固定層１２Ｂの間と、第２電極２０Ｄ及び磁化自由層１２Ｃの間と、並びに接地用電極Ｓ１及び第１電極２０Ａの間と、に設けられている。これにより、接地用に必要な部分以外のシリコンチャンネル７の大部分が絶縁層で覆われることとなる。故に、スピン流がシリコンチャンネルの外側へ漏れ出ることを防ぎつつ、電荷をシリコンチャンネルの外側へ逃すことができる。故に、良好なスピン伝導を保ちつつ、素子破壊を抑制できる。
【００３９】
また、第３絶縁層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、第２電極２０Ｄ、及び接地用電極Ｓ１を保護することができ、劣化を抑制できる。側面用絶縁層７ａ及び第３絶縁層７ｂには、絶縁材料が用いられ、例えば、酸化シリコンなどの酸化膜や窒化シリコンなどの窒化膜が用いられる。酸化シリコンなどの第３絶縁層７ｂは、保護膜として好適である。また、酸化シリコン膜は、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。
【００４０】
第１電極２０Ａ上及び第３絶縁層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上及び第３絶縁層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上及び第３絶縁層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上及び第３絶縁層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。第３絶縁層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、第３絶縁層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。
【００４１】
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、絶縁層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。
【００４２】
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。また、第１電極２０Ａの外側に設けられた接地用電極Ｓ１が、接地用回路６１に接続されている。
【００４３】
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。
【００４４】
以下、スピン伝導素子１００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。
【００４５】
第１実施形態にかかるスピン伝導素子１００による効果を説明する。第１実施形態にかかるスピン伝導素子１００では、シリコンチャンネル７が、第１電極２０Ａ及び第２電極２０Ｄよりも外側に延在している。故に、シリコンチャンネル７をアース（接地）することができるので、電荷がシリコンチャンネル７内に必要以上に蓄積することを抑制できる。従って、素子作成時や回路形成時などに、素子破壊が生じることを抑制できる。また、シリコンチャンネルのうち、第１電極及び第２電極の少なくとも一方よりも外側に延在している部分を接地部分とすることができるため、スピン流や電流のリークが抑制され、スピン伝導素子の動作に悪影響を与え難い。
【００４６】
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。
【００４７】
本実施形態では、シリコンチャンネル７が第１電極２０Ａ及び第２電極２０Ｄの両方よりも外側に延在している例を示したが、シリコンチャンネル７は、第１電極２０Ａ及び第２電極２０Ｄの少なくとも一方よりも外側に延在していればよい。故に、第１電極及び第２電極の少なくとも一方よりも外側に延在しているシリコンチャンネルの部分をアース（接地）することができる。よって、電荷が、シリコンチャンネル内に必要以上に蓄積することを抑制できる。従って、素子作成時や回路形成時などに、素子破壊が生じることを抑制できる。また、接地部分が、シリコンチャンネルのうち、第１電極及び第２電極の少なくとも一方よりも外側に延在している部分であるため、スピン流や電流のリークが抑制され、スピン伝導素子の動作に悪影響を与え難い。
【００４８】
また、例えば、第１実施形態では、接地用電極が１つである例を示したが、接地用電極は、複数でも良い。接地用電極は、シリコンチャンネル７のうち第１電極２０Ａ及び第２電極２０Ｄの少なくとも一方よりも外側に延在している部分上に設けられていれば良い。例えば、シリコンチャンネル７のうち第１電極２０Ａよりも外側に延在している部分上に接地用電極（第１接地用電極）Ｓ１が設けられており、さらに、シリコンチャンネル７のうち第２電極２０Ｄよりも外側に延在している部分上に別の接地用電極（第２接地用電極）Ｓ２（図１参照）が設けられている構成としても良い。この構成の場合、第３絶縁層は、シリコンチャンネル７、磁化固定層１２Ｂ、磁化自由層１２Ｃ、第１電極２０Ａ、第２電極２０Ｄ、第１接地用電極、及び第２接地用電極の側面上と、磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃの間と、第１電極２０Ａ及び磁化固定層１２Ｂの間と、第２電極２０Ｄ及び磁化自由層１２Ｃの間と、第１接地用電極及び第１電極の間と、並びに第２接地用電極及び第２電極の間と、に設けられていることが好ましい。これにより、スピン流がシリコンチャンネルの外側へ漏れ出ることを防ぎつつ、電荷をシリコンチャンネルの外側へ逃すことができる。故に、良好なスピン伝導を保ちつつ、素子破壊を抑制できる。
【００４９】
また、複数のスピン伝導素子１００を並べる場合、複数のスピン伝導素子１００を同時に接地しても良い。図５に、スピン伝導素子の変形例を示す。図５では、３つのスピン伝導素子１００が同時に接地される例を示す。なお、便宜上、図５では、シリコンチャンネル７上の第３絶縁層７ｂを省略して図示しているが、第３絶縁層７ｂは、シリコンチャンネル７上の接地に必要な部分以外に設けられていることが好ましい。
【００５０】
各スピン伝導素子１００において、シリコンチャンネル７を共通電極Ｃ１及び共通電極Ｃ２にそれぞれ接続することができる。より具体的には、各スピン伝導素子１００において、共通電極Ｃ１を、シリコンチャンネル７のうち第１電極２０Ａよりも外側の部分に接続し、共通電極Ｃ２を、シリコンチャンネル７のうち第２電極２０Ｄよりも外側の部分に接続する。
【００５１】
すなわち、共通電極Ｃ１を、シリコンチャンネル７の一端Ｐ側の上面に接続し、共通電極Ｃ２を、シリコンチャンネル７の他端Ｑ側の上面に接続すればよい。共通電極Ｃ１を接地用回路６３に接続し、共通電極Ｃ２を接地用回路６４に接続することができる。故に、各スピン伝導素子１００において、シリコンチャンネル７に必要以上に蓄積した電荷を共通電極Ｃ１及び共通電極Ｃ２によって、シリコンチャンネル７の外側へ逃がすことができる。あるいは、共通電極Ｃ１及び共通電極Ｃ２のいずれか一方のみをシリコンチャンネル７に接続する構成とすることも可能である。
（第２実施形態）
【００５２】
第２実施形態では、スピン伝導素子のシリコンチャンネルが孤立した島状ではなく、シリコンチャンネルの周囲に環状のシリコン層が連結される例を示す。図６は、第２実施形態に係るスピン伝導素子２００を示す斜視図である。図７は、第２実施形態に係るスピン伝導素子２００を示す上面図である。
【００５３】
第２実施形態のスピン伝導素子２００には、第１実施形態のスピン伝導素子１００で説明した、シリコン基板１、絶縁層２、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、第２電極２０Ｄ、側面用絶縁層７ａ、第３絶縁層７ｂ、配線１８Ａ〜１８Ｄ、及び電極パッドＥ１〜Ｅ４を同様に適用できる。
【００５４】
ただし、第２実施形態のスピン伝導素子２００では、第１実施形態のスピン伝導素子１００における接地用電極Ｓ１がシリコンチャンネル７上に設けられていない。代わりに、スピン伝導素子２００では、シリコンチャンネル７のうち第１電極２０Ａ及び第２電極２０Ｄの少なくとも一方よりも外側に延在している部分に連結し、かつシリコンチャンネル７の周囲に配置された、環状のシリコン層（環状の周囲層）７１を更に備える。そして、接地用電極Ｓ３が、環状のシリコン層７１の一部上に設けられている。故に、シリコンチャンネル７に蓄積された必要以上の電荷を、環状のシリコン層と接地用電極Ｓ３とを介して、外部へ容易に逃がすことができる。また、接地される部分が、シリコンチャンネル７に連結された環状のシリコン層であるため、スピン流や電流のリークが抑制され、スピン伝導素子の動作に悪影響を与え難い。さらに、環状のシリコン層７１は、所定の導電性を付与することにより、ノイズのシールドパターンとしても機能させることができる。
【００５５】
図６では、スピン伝導素子２００が、シリコンチャンネル７のうち第１電極２０Ａ及び第２電極２０Ｄよりも外側に延在している２つの部分に連結し、かつシリコンチャンネル７の周囲に配置された、環状のシリコン層７１を更に備える例を示す。
【００５６】
環状のシリコン層７１は、接地用電極Ｓ３を介して、接地用回路６５に接続されている。これにより、環状のシリコン層を介して、シリコンチャンネル７を容易に接地することができる。
【００５７】
さらに、環状のシリコン層７１の側面と上面上には、第４絶縁層７ｃが設けられている。シリコンチャンネル７が、第４絶縁層７ｃに覆われた環状のシリコン層７１に包囲されていることにより、シリコンチャンネル７を外部磁気からシールドすることができる。故に、シリコンチャンネル７内で良好なスピン伝導を保てる。シリコンチャンネル７及び環状のシリコン層７１は、分離しておらず、同一の層から構成することができる。また、第３絶縁層７ｂ及び第４絶縁層７ｃも、分離しておらず、同一の層から構成することができる。
【００５８】
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や、炭素系材料などを用いても良い。さらに、第２実施形態における環状のシリコン層７１の代わりに、例えばＧａＡｓからなる環状の周囲層や、炭素系材料からなる環状の周囲層などの、環状の半導体材料からなる周囲層を用いることができる。
【００５９】
また、例えば、磁化自由層１２Ｃ及び第２電極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、例えば、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。
【００６０】
以下、実施例１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に限定されるものではない。
（実施例１）
【００６１】
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。シリコン膜にｎ型の導電性を付与するためのイオン注入を行った。そして、アニールにより不純物を拡散させた。アニール温度は、９００℃とした。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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
図８（ａ）及び図８（ｂ）に、シリコン膜をパターニングする際に用いるマスクの上面図を示す。図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、主要部２０と、主要部２０から突出した角部２１，２２とを有するようなマスクＭ１，Ｍ２を用いる。この際、角部２１，２２が主要部２０の面積よりも小さな面積を有するようなマスクを用いると良い。また、主要部２０が長方形の場合、突出した角部２１，２２は、長方形の四隅に配置される。図８（ａ）のように、マスクＭ１の角部２１は、マスクＭ１の主要部２０と重なる範囲を含めて、正方形でも良い。また、図８（ｂ）のように、マスクＭ２の角部２２は、マスクＭ２の主要部２０と重なる範囲を含めて、円形でも良い。この他にも、マスクの角部は、マスクの主要部と重なる範囲を含めて、例えば、長方形や三角形であっても良い。なお、角部を有さないマスクを用いても実施は可能である。
【００６５】
これにより、直方体形状で、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（側面用絶縁層）を形成した。
【００６６】
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うち、磁化固定層の外側及び磁化自由層の外側に、それぞれＡｌ膜を形成し、第１電極及び第２電極を得た。また、第１電極の外側に導電性材料を成膜し、接地用電極を得た。
【００６７】
さらに、シリコンチャンネル側壁のシリコン酸化膜（側面用絶縁層）、第１絶縁層、第２絶縁層、磁化固定層、磁化自由層、第１電極、第２電極、及び接地用電極の側面上と、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、第２電極、及び接地用電極の形成されていない部分とに、シリコン酸化膜（第３絶縁層）を形成した。
【００６８】
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。最後に、接地用電極を接地用回路に接続した。こうして、図１〜４に示すスピン伝導素子１００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。
【符号の説明】
【００６９】
１…シリコン基板、２…絶縁層、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…側面用絶縁層、７ｂ…第３絶縁層、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、Ｓ１…接地用電極、６１…接地用回路、１００…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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