(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性電極からスピン偏極した電子を絶縁体または半導体からなるトンネルバリアー層を介して、常磁性金属、強磁性金属または半導体からなる他の電極へトンネル注入する構造を有するスピン伝導素子において、前記トンネルバリアー層を構成する材料が、絶縁体として六方晶ＢＮ、立方晶ＢＮ、非晶質ＢＮ、ＢＰ、Ｉｎ2Ｏ3、ＳｎＯ2およびＰｂＯ、ならびに半導体として層状III−ＶＩ化合物であるＧａＳ，ＧａＳｅ，ＧａＴｅ，ＩｎＳおよびＩｎＳｅ、III−ＶＩ化合物であるＩｎＴｅ，ＴｌＳおよびＴｉＳｅ、ならびにIII−Ｖ化合物であるＧａＰおよびＧａＮからなる群より選択されることを特徴とするスピン伝導素子。
【請求項２】
前記他の電極は、強磁性金属からなることを特徴とする請求項１に記載のスピン伝導素子。
【請求項３】
前記スピン伝導素子は、前記強磁性電極及びトンネルバリアー層を備えるエミッタと、前記強磁性金属からなるベースと、半導体からなるコレクタとで構成されるスピンバルブトランジスタを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のスピン伝導素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスピン伝導素子に関し、特に高密度磁気記録読み出し用磁気ヘッドや、磁性ＲＡＭ（ＭＲＡＭ）および磁性ＲＯＭ（ＭＲＯＭ）などの高密度記憶素子に適用されるスピン伝導素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気記録の高密度化および高速化は、磁気記録媒体の改良と並んで、磁気記録装置の進歩、なかでも磁気記録の書き込みおよび読み出しに用いられる磁気ヘッドの進歩に負うところが多い。例えば、磁気記録媒体の小型化および大容量化に伴って、磁気記録媒体と読み出し用磁気ヘッドとの相対速度は小さくなるが、その場合でも大きな出力が取り出せる新しいタイプの読み出し用磁気ヘッドとして巨大磁気抵抗効果ヘッド（ＧＭＲヘッド）の開発が進められている。ＧＭＲヘッドは従来のＭＲヘッドに比較して磁気抵抗比（ＭＲ比）が大きく優れた特性を持っているが、最近より優れた特性が期待されるトンネル接合型のＧＭＲヘッドが急速に注目を集めている。
【０００３】
また、従来の磁気記録媒体は磁気ディスクすなわちファイルメモリーとして機能し、その情報はいったんコンピューター本体の半導体メモリー（ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ）に読み込まれた後に利用される。半導体メモリーは多くの優れた特性を持っているが、記憶保持のために大量の電力を消費するという大きな欠点も持っている。近年、記憶保持のための電力が必要のないフラッシュメモリーやＦＲＡＭなどの開発が進められているが、いずれも書き換え回数が限定されるという大きな欠点を持っている。一方、実質的に無限回の書き換えが可能な磁気メモリー（ＭＲＡＭ）の開発も始められているが、その実現のためには大きなＭＲ比を示す材料またはデバイスの開発が望まれる。
【０００４】
以上のような背景から、従来のスピンバルブ膜に比べてより大きなＭＲ比を示す素子として磁性体トンネル接合素子が注目され、それらを用いて、またはそれらとＭＯＳ型トランジスタを組み合わせることによって磁気ヘッドや磁気メモリーを形成する試みが進められている。さらに、磁性体トンネル接合素子に比べより優れた特性を示すことが期待される種々の３端子型デバイス（スピントランジスタ）の開発も進められている。
【０００５】
現在、磁性体トンネル接合素子は、数十ｍＶ以下の低電圧域で３０％程度のＭＲ比を示すが、数百ｍＶ以上の実用電圧域ではＭＲ比が１０％程度に低下するという問題があるため、実用電圧域で３０％以上のＭＲ比が望まれている。実用電圧域で高いＭＲ比を実現するためには、一方の強磁性電極からトンネルバリアー層を介して他方の強磁性電極に注入される電子のスピン偏極率を増大させる必要がある。また、３端子型デバイスの特性を実用レベルに高めるためにも、強磁性電極からトンネルバリアー層を介して常磁性金属または半導体からなる他の電極に注入される電子のスピン偏極率を増大させる必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、強磁性電極から他の電極へスピン偏極率の大きい電子を注入することができるトンネル接合部を持ったスピン伝導素子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のスピン伝導素子は、強磁性電極からスピン偏極した電子を絶縁体または半導体からなるトンネルバリアー層を介して、常磁性金属、強磁性金属または半導体からなる他の電極へトンネル注入する構造を有するスピン伝導素子において、前記トンネルバリアー層を構成する材料が、絶縁体として六方晶ＢＮ、立方晶ＢＮ、非晶質ＢＮ、ＢＰ、Ｉｎ2Ｏ3、ＳｎＯ2およびＰｂＯ、ならびに半導体として層状III−ＶＩ化合物であるＧａＳ，ＧａＳｅ，ＧａＴｅ，ＩｎＳおよびＩｎＳｅ、III−ＶＩ化合物であるＩｎＴｅ，ＴｌＳおよびＴｉＳｅ、ならびにIII−Ｖ化合物であるＧａＰおよびＧａＮからなる群より選択されることを特徴とする。
【０００８】
本発明において、強磁性電極の材料としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）またはこれらの合金が用いられる。
【０００９】
本発明において、トンネルバリアー層を構成する材料は、絶縁体としては六方晶ＢＮ、立方晶ＢＮ、非晶質ＢＮ、ＢＰ、Ｉｎ2Ｏ3、ＳｎＯ2およびＰｂＯ、ならびに半導体としては層状III−ＶＩ化合物であるＧａＳ，ＧａＳｅ，ＧａＴｅ，ＩｎＳおよびＩｎＳｅ、III−ＶＩ化合物であるＩｎＴｅ，ＴｌＳおよびＴｉＳｅ、ならびにIII−Ｖ化合物であるＧａＰおよびＧａＮからなる群より選択される。
【００１０】
本発明のスピン伝導素子の例としては、強磁性層／トンネルバリアー層／強磁性層の三層構造を有する磁性体トンネル接合を含むものが挙げられる。
【００１１】
本発明のスピン伝導素子の他の例としては、強磁性層／トンネルバリアー層を有するエミッタと、強磁性積層膜からなるベースと、半導体からなるコレクタとで構成されるスピンバルブトランジスタを含むものが挙げられる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、強磁性電極からトンネルバリアー層を介して他の電極へ注入される電子のスピン偏極率は、強磁性体のバンド構造だけでなく、トンネルバリアー層を構成する材料のバンド構造に強く依存することを見出した。以下、本発明の原理について説明する。
【００１３】
Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの強磁性金属またはこれらの合金は、図１に模式的に示すように、局在性の強いｄバンドと、質量の軽い非局在電子とが共存したバンド構造を有する。トンネル電流は、主として非局在電子によって担われている。Ｆｅを例に取ると、非局在電子のバンドは、アップスピンバンドの底がフェルミ準位から約３ｅＶ、ダウンスピンバンドの底がフェルミ準位から約０．５ｅＶのところにある。このようにスピンに依存したバンド構造は、他の強磁性金属や合金でもほぼ同様である。
【００１４】
図１からわかるように、非局在電子のスピン偏極率はフェルミ準位近くでは小さく、フェルミ準位の下０．５ｅＶから３ｅＶのエネルギー絶囲では極めて大きい。したがって、フェルミ準位の下０．５ｅＶから３ｅＶのエネルギー範囲にある電子を選択的にトンネルさせることができれば、極めて大きなスピン偏極電流が得られる。
【００１５】
一方、電子のトンネル確率はトンネルバリアー層を構成する絶縁体または半導体のバンド構造に依存することが知られている。図２はバンドギャップ内での電子の波動関数の減衰定数ｋの２乗をエネルギーの関数として示したものである。図２からわかるように、伝導帯の底または価電子帯の頂上近くのエネルギーを持つ電子の減衰定数は小さく、バンドギャップ中央近くのエネルギーを持つ電子の減衰定数は大きい。電子が厚さｔのトンネルバリアー層をトンネルする確率はｅｘｐ（−２ｋｔ）に比例するので、電子のトンネル確率はそのエネルギーに強く依存する。
【００１６】
従来、トンネルバリアー層の材料としては、Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＮ，ＭｇＯなどの絶縁体が用いられてきた。図３（ａ）に示すように、これらの絶縁体では、伝導帯の底がＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの強磁性金属のフェルミ準位の近くにあり、価電子帯の頂上はフェルミ準位から離れている。したがって、図３（ｂ）に示すように、強磁性金属からトンネルバリアー層を介して、金属や半導体からなる他の電極に注入される電子のエネルギー分布は、印加電圧に係わらずフェルミ準位近くのエネルギーを持つものが圧倒的に多くなる。上述したように、Ｆｅなどの強磁性金属中では、非局在電子のスピン偏極率はフェルミ準位近くでは小さいので、トンネル電子のスピン偏極率も小さくなってしまう。
【００１７】
一方、図４（ａ）に示すように、六方晶ＢＮなどの絶縁体やＧａＳｅなどの半導体では、価電子帯の頂上がＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの強磁性金属のフェルミ準位の近くにあり、伝導帯の底はフェルミ準位から離れている。したがって、図４（ｂ）に示すように、強磁性金属からこれらの材料で形成されたトンネルバリアー層を介して、金属や半導体からなる他の電極に注入される電子のエネルギー分布は、印加電圧Ｖに対応したエネルギーｅＶに鋭いピークをもつ。上述したように、Ｆｅなどの強磁性金属中では非局在電子のスピン偏極率は、フェルミ準位の下約０．５ｅＶから約３ｅＶのエネルギー範囲では極めて大きいので、約０．５Ｖから約３Ｖの電圧を印加することにより、極めて大きなスピン偏極率をもったトンネル電流が得られる。
【００１８】
本発明においては、トンネルバリアー層の材料として、強磁性金属のフェルミ準位に対して図４（ａ）のようなエネルギーの関係にあるバンド構造をもつものが用いられる。このような材料としては、以下に示すような絶縁体または半導体が挙げられる。絶縁体としては、六方晶ＢＮのほかにも、立方晶ＢＮ、ＢＰ、Ｉｎ2Ｏ3、ＳｎＯ2、ＰｂＯなどが挙げられる。半導体としては、層状III−ＶＩ化合物であるＧａＳ，ＧａＳｅ，ＧａＴｅ，ＩｎＳ，ＩｎＳｅなど、III−ＶＩ化合物であるＩｎＴｅ，ＴｌＳ，ＴｉＳｅなど、III−Ｖ化合物であるＧａＰ，ＧａＮなどが用いられる。
【００１９】
一方、多くの酸化物絶縁体や、ＳｉＣ，ＡｌＡｓ，ＩｎＳｂ，ＣｄＳ，ＺｎＳ，ＺｎＯなどの半導体は、Ａｌ２Ｏ３やＡｌＮと同様に図３（ａ）に示したのと同様なバンド構造をもつため、大きなスピン偏極率の電流は得られない。
【００２０】
本発明のスピン伝導素子において、大きなスピン偏極率の電流を得るために重要なもう一つの要請は、トンネル過程における電子のスピン反転現象を抑制することである。トンネル電子は強磁性電極中の磁気励起（マグノン）やトンネルバリアー層中の局在スピンなどと相互作用することにより、そのスピンが反転してしまう。上述したように、実用電圧域で磁性トンネル接合のＭＲ比が減少する原因はこのスピン反転現象であると考えられている。
【００２１】
本発明に係るトンネルバリアー層を用いれば、アップスピン状態のみが存在できるエネルギー範囲の電子を選択的にトンネルに関与させることができる。この場合、電子のスピン状態をアップスピンからダウンスピンに反転するには大きなエネルギーを伴った非弾性散乱を受けることが必要である。こうした散乱確率は極めて小さいため、本発明のスピン伝導素子ではスピン反転が抑制され、大きくスピン偏極した電流を得ることができる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００２３】
実施例１
以下のようにして、図５に示すＦｅ／非晶質ＢＮ／Ｃｏからなる磁性体トンネル接合を含む磁気抵抗効果素子を作製した。
【００２４】
マグネトロンスパッタ装置にシリコン基板１１を入れ、１０−８ｔｏｒｒに真空引きした。シリコン基板１１上に、マグネトロンスパッタにより、厚さ１００ｎｍのＰｔからなるシード層１２、厚さ１０ｎｍのＦｅＭｎからなる交換バイアス層１３、厚さ１２ｎｍのＦｅからなる下部電極１４、厚さ１．５ｎｍの非晶質ＢＮからなるトンネルバリアー層１５、厚さ８ｎｍのＣｏからなる上部電極１６、厚さ１００ｎｍのＡｕからなるバックアップ層１７を順次形成して磁気抵抗効果素子を作製した。フォトリソグラフィーとＡｒイオンミリングにより接合面積を５×５μｍ２に設定した。
【００２５】
この磁気抵抗効果素子について、室温において電圧１Ｖで接合面内に外部磁場を印加して磁気抵抗を測定した。この結果、磁化曲線を反映した磁気抵抗特性が観測され、ＭＲ比（磁気抵抗効果比）は４２％であった。また、飽和磁場の下での接合抵抗の絶対値は約２００Ωであった。
【００２６】
実施例２
トンネルバリアー層として、実施例１における厚さ１．５ｎｍの非晶質ＢＮの代わりに、バンドギャップ２ｅＶの半導体であるＧａＳｅを１０ｎｍの厚さに形成した以外は実施例１と同様な方法で磁気抵抗効果素子を作製した。この磁気抵抗効果素子では、電圧１ＶでのＭＲ比は４５％、接合抵抗は約１００Ωであった。
【００２７】
比較例１
比較のために、トンネルバリアー層として、実施例１における厚さ１．５ｎｍの非晶質ＢＮの代わりに、厚さ２ｎｍのＡｌ２Ｏ３を用いた以外は実施例１と同様な方法で磁気抵抗効果素子を作製した。この磁気抵抗効果素子では、電圧１ＶでのＭＲ比は５％、接合抵抗は約２００Ωであった。
【００２８】
これらの実施例１、実施例２および比較例１から、トンネルバリアー層に非晶質ＢＮやＧａＳｅを用いることにより、Ａｌ２Ｏ３を用いた場合と比較して大きなＭＲ比が得られることがわかる。
【００２９】
実施例３
トンネルバリアー層をトンネルした伝導電子のスピン偏極率を調べるために、図６に示すｎ＋−ＧａＡｓ／ノンドープＧａＡｓ／Ｆｅの積層構造を有するトンネル接合を含むスピン伝導素子（発光素子）を作製した。
【００３０】
マルチチャンバーのＭＢＥ装置にｎ＋−ＧａＡｓ（００１）ウェーハ２１を入れた。まず、第１チャンバー内でウェーハ２１上にｎ＋−ＧａＡｓからなる活性層２２、厚さ５ｎｍのノンドープＧａＡｓからなるトンネルバリアー層２３を形成した。ＳＴＭおよびＲＨＥＥＤ観察により、トンネルバリアー層２３であるノンドープＧａＡｓの表面がＡｓのダイマーにより終端された２×４構造となっていることが確認された。テラスの幅は約０．５μｍであった。次に、第２チャンバー内で厚さ１０ｎｍのＦｅ（００１）からなる強磁性電極２４を形成して発光素子を作製した。この際、クヌーセンセルを用い、０．３ｎｍ／ｍｉｎの速度で成膜した。
【００３１】
Ｆｅからなる強磁性電極２４とｎ＋−ＧａＡｓからなる活性層２２との間に１Ｖの電圧を印加し、ノンドープＧａＡｓからなるトンネルバリアー層２３を介して強磁性電極２４から活性層２２へスピン偏極した電子をトンネル注入した。発光の円偏光度を測定することにより、注入された電子のスピン偏極率を求めたところ、約６３％の高い値が得られた。
【００３２】
比較例２
比較のために、トンネルバリアー層として、実施例３における厚さ５ｎｍのノンドープＧａＡｓの代わりに、厚さ１．５ｎｍのＡｌ２Ｏ３を用いた以外は実施例３と同様の方法で発光素子を作製した。この例では、第１チャンバー内でウェーハ上にｎ＋−ＧａＡｓからなる活性層を形成した後、第２チャンバー内でＡｌを蒸着し、このＡｌをプラズマ酸化することによりＡｌ２Ｏ３からなるトンネルバリアー層を形成し、さらにＦｅからなる強磁性電極を形成した。
【００３３】
Ｆｅからなる強磁性電極とｎ＋−ＧａＡｓからなる活性層との間に１Ｖの電圧を印加し、Ａｌ２Ｏ３からなるトンネルバリアー層を介して強磁性電極から活性層へスピン偏極した電子をトンネル注入した。発光の円偏光度を測定することにより、注入された電子のスピン偏極率を求めたところ、約１３％であった。
【００３４】
実施例３および比較例２から、トンネルバリアー層にノンドープＧａＡｓを用いることにより、Ａｌ２Ｏ３を用いた場合と比較して高いスピン偏極率で電子を注入できることがわかる。
【００３５】
実施例４
以下のようにして図７に示す構造を有するスピンバルブトランジスタを作製した。このスピンバルブトランジスタは、ｐ型シリコンからなるコレクタ３１上に、厚さ２ｎｍのＡｕ層３２／厚さ１．５ｎｍのＦｅ層３３／厚さ２ｎｍのＡｕ層３４という磁性積層膜からなるベース３５、および厚さ１ｎｍの非晶質ＢＮからなるトンネルバリアー層３６／厚さ１０ｎｍのＦｅ層３７／厚さ１００ｎｍのＡｕ層３８からなるエミッタ３９が順次形成された構造を有する。このスピンバルブトランジスタは、実施例１と同様にマグネトロンスパッタ装置で各層を成膜し、フォトリソグラフィーとＡｒイオンミリングによりパターニングすることにより作製した。
【００３６】
このスピンバルブトランジスタでは、エミッタ３９／ベース３５間にベース３５／コレクタ３１間のショットキーバリアーの高さ（約０．４ｅＶ）以上の電圧を印加すると、エミッタ３９からベース３５に注入された正孔がショットキーバリアーを越えてコレクタ３１に流れ込み、コレクタ電流として観測される。この際、磁場を印加して２つのＦｅ層３３、３７の磁気モーメントを反平行状態から平行状態に変化させるとコレクタ電流が変化し、磁気抵抗効果が観測される。この例では、エミッタ／ベース間に１Ｖの電圧を印加したとき、約５００％の大きなＭＲ比が観測された。
【００３７】
比較例３
比較のために、トンネルバリアー層として、厚さ１ｎｍの非晶質ＢＮの代わりに、厚さ１ｎｍのＡｌ２Ｏ３を用いた以外は実施例４と同様なスピンバルブトランジスタを作製した。このスピンバルブトランジスタについてＭＲ比を測定したところ、約３０％であった。
【００３８】
実施例４および比較例３から、トンネルバリアー層に非晶質ＢＮを用いることにより、Ａｌ２Ｏ３を用いた場合と比較して大きなＭＲ比が得られることがわかる。
【００３９】
なお、本発明は上記実施例で説明した以外のスピン伝導素子にも適用できる。例えば図８にスピン蓄積型バイポーラスピントランジスタを示す。このスピン蓄積型バイポーラスピントランジスタは、強磁性コレクタ４１、トンネルバリアー層４２、非磁性ベース４３、トンネルバリアー層４４、強磁性コレクタ４５という積層構造を有する。これらのトンネルバリアー層４２、４４に、バリアー高さが強磁性電極のフェルミ準位の上方でより高くフェルミ準位の下方でより低い材料を用いることにより、良好な特性が得られる。
【００４０】
本発明における各層を構成する材料は、以上述べた材料に限られない。
【００４１】
なお、請求項において列挙した材料層についても、隣接する強磁性層や、離間する層などからの原子拡散が、製造工程の調整などによって容易に起こることが予想される。例えば、トンネルバリアー層を成膜する趣旨でバリアー層材料のターゲットなどを用いても、スパッタ法などではスパッタ圧や温度に、また成膜後の熱処理の温度、雰囲気、処理時間などによって原子拡散の度合が左右されると考えられる。請求項に挙げる材料に拡散による他の層の構成原子が混ざっていても、その層の主な物性が当該列挙された材料に依存するうちは、拡散が生じても請求項２の範囲内にあるといえる。
【００４２】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、トンネルバリアー層として、バリアーの高さが強磁性電極のフェルミ準位の上方でより高く、フェルミ準位の下方でより低い材料を用いることにより、大きなスピン偏極率で電子を注入することが可能となり、スピン伝導素子の特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】強磁性金属のバンド図。
【図２】バンドギャップ内での電子の波動関数の減衰定数ｋの２乗をエネルギーの関数として示す図。
【図３】従来のトンネルバリアー層材料のバンド図、およびそのトンネルバリアー層を介して注入される電子のエネルギー分布を示す図。
【図４】本発明に係るトンネルバリアー層材料のバンド図、およびそのトンネルバリアー層を介して注入される電子のエネルギー分布を示す図。
【図５】本発明の実施例１における磁気抵抗効果素子の構造を示す断面図。
【図６】本発明の実施例２における発光素子の構造を示す断面図。
【図７】本発明の実施例４におけるスピンバルブトランジスタの構造を示す断面図。
【図８】本発明の他の実施例におけるスピン蓄積型バイポーラスピントランジスタの構造を示す断面図。
【符号の説明】
１１…シリコン基板
１２…シード層
１３…交換バイアス層
１４…下部電極
１５…トンネルバリアー層
１６…上部電極
１７…バックアップ層
２１…ウェーハ
２２…活性層
２３…トンネルバリアー層
２４…強磁性電極
３１…コレクタ
３２…Ａｕ層
３３…Ｆｅ層
３４…Ａｕ層
３５…ベース
３６…トンネルバリアー層
３７…Ｆｅ層
３８…Ａｕ層
３９…エミッタ
４１…強磁性コレクタ
４２…トンネルバリアー層
４３…非磁性ベース
４４…トンネルバリアー層
４５…強磁性コレクタ
【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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