(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上にエピタキシャル成長され前記第１の半導体層とは異なる組成を有する第２の半導体層と、を有するコレクタ部と、
前記第２の半導体層の上に設けられたベース部であって、磁化方向が第１の方向に実質的に固着された磁性体膜を有する磁化固定層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁性体膜を有する磁化自由層と、前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性層と、を有するベース部と、
前記ベース部の上に設けられた絶縁性の障壁層と、
前記障壁層の上に設けられたエミッタ部と、
を備え、
前記第２の半導体層の電子親和力が、前記第１の半導体の電子親和力よりも小なることを特徴とするスピンバルブトランジスタ。
【請求項２】
第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上にエピタキシャル成長され前記第１の半導体層とは異なる組成を有する第２の半導体層と、を有するコレクタ部と、
前記第２の半導体層の上に設けられたベース部であって、磁化方向が第１の方向に実質的に固着された磁性体膜を有する磁化固定層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁性体膜を有する磁化自由層と、前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性層と、を有するベース部と、
前記ベース部の上に設けられた絶縁性の障壁層と、
前記障壁層の上に設けられたエミッタ部と、
を備え、
前記第２の半導体層のエネルギーバンドギャップが、前記第１の半導体のエネルギーバンドギャップよりも大なることを特徴とするスピンバルブトランジスタ。
【請求項３】
コレクタ部と、
遷移金属の酸化物を含む半導体層を有するエミッタ部と、
前記コレクタ部と前記半導体層との間に設けられたベース部であって、磁化方向が第１の方向に実質的に固着された磁性体膜を有する磁化固定層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁性体膜を有する磁化自由層と、前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性層と、を有するベース部と、
前記半導体層と前記ベース部との間に設けられた絶縁性の障壁層と、
を備えたことを特徴とするスピンバルブトランジスタ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載のスピンバルブトランジスタと、
前記スピンバルブトランジスタと同一の基板上に形成された電界効果トランジスタと、
を備え、
前記スピンバルブトランジスタの出力が前記電界効果トランジスタのゲートに接続されていることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１つに記載のスピンバルブトランジスタと、
前記スピンバルブトランジスタの前記磁化自由層に磁気的に結合されたフラックスガイドと、
を備え、
記録媒体からの信号磁界を前記フラックスガイドを介して前記磁化自由層に導くことを特徴とする磁気ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スピンバルブトランジスタ及び磁気ヘッドに関し、より詳細には、高密度磁気記録読み出し用磁気ヘッドなどの磁気センサーや、磁性ＲＡＭ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）あるいは磁性ＲＯＭ（ＭＲＯＭ：Magnetic Read Only Memory）などの高密度記憶素子などとして用いて好適なスピンバルブトランジスタ及びこれを用いた磁気ヘッドに関する。
【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、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（Giant MagnetoResistance effect:ＧＭＲ）素子を用いたものの開発が進められている。
【０００３】
ＧＭＲ素子は、強磁性層／非磁性層／強磁性層というサンドイッチ構造の積層膜からなる。ＧＭＲ素子は、一方の強磁性層（「磁化固定層」、「磁化固着層」あるいは「ピン層」などと称される）に交換バイアスを及ぼしてその磁化を固定し、他方の強磁性層（「磁化自由層」あるいは「フリー層」などと称される）の磁化を外部磁界により磁化反転させることにより、２つの強磁性層の磁化方向の相対角度の変化を抵抗値の変化として検出する、いわゆる「スピンバルブ膜」の磁気抵抗効果を利用した素子である。
【０００４】
一方、より高密度な磁気記録に対応するため、トンネル磁気抵抗効果（Tunneling MagnetoResistance effect：ＴＭＲ効果）を利用したＴＭＲ素子の開発が進められている。ＴＭＲ素子は、強磁性層／絶縁体／強磁性層の積層膜からなり、これら強磁性層の間に電圧を印加してトンネル電流を流す。ＴＭＲ素子は、トンネル電流の大きさが両側の強磁性層の磁化の向きによって変化することを利用し、磁化の相対的角度の変化をトンネル抵抗値の変化として検出する素子である。そのＭＲ比としては、最大で５０パーセント程度の素子が得られている。
【発明が解決しようとする課題】
更なる記録密度の増大とともにより微小なセンサーが要求されるが、ＧＭＲ素子では微小化により素子の抵抗値が減少するため出力電圧（信号電圧）が低下しその検出が困難になることが予測されている。
【０００５】
出力電圧の低下を抑制するには、素子電流を増大させるか、ＭＲ比を増大させることが必要であるが、前者はエレクトロマイグレーションによる素子の劣化を招くため好ましくない。そのためＭＲ比を増大させる種々の試みが行なわれている。
【０００６】
ＧＭＲ素子の場合、スピンバルブ膜の膜面に電流を流し、抵抗変化を検出するＣＩＰ（Current-in Plane）型ＧＭＲ素子と、スピンバルブ膜の膜面に垂直に電流を流し抵抗変化を検出するＣＰＰ（Current-Perpendicular-to-Plane）型ＧＭＲ素子が開発されている。その磁気抵抗比（ＭＲ比）は、ＣＩＰ型ＧＭＲ素子、ＣＰＰ型ＧＭＲ素子ともに数パーセント程度であり、記録密度の上限は、２００Gbit／inch２程度であろうと考えられている。
【０００７】
一方、ＴＭＲ素子は、ＧＭＲ素子よりもＭＲ比が大きいため、信号電圧も大きくなる。しかしながら、純粋な信号成分だけでなく、ショットノイズによる雑音成分も大きくなり、Ｓ／Ｎ比（信号対雑音比）がよくならないという問題を抱えている。ショットノイズは、電子がトンネル障壁を不規則に通過することによって発生する電流の揺らぎに起因しており、トンネル抵抗に比例して増大する。従ってショットノイズを抑え、必要な信号電圧を得るには、トンネル絶縁層を薄くし、トンネル抵抗を低抵抗化する必要がある。
【０００８】
記録密度が高密度化するほど、記録ビットサイズは小さくなり、素子サイズも記録ビットと同程度のサイズに小さくする必要がある。このため、高密度になるほど、トンネル絶縁層の接合抵抗を小さく、つまり、絶縁層を薄くする必要がある。３００Gbit/inch２の記録密度では、１Ω・ｃｍ２以下の接合抵抗が必要とされ、Ａｌ−Ｏ（アルミニウム酸化膜）トンネル絶縁層の膜厚に換算して原子２層分の厚さのトンネル絶縁層を形成しなければならない。
【０００９】
しかし、トンネル絶縁層を薄くするほど素子両端の電極間の短絡が生じやすくなり、ＭＲ比の低下を招くため、素子の作製は飛躍的に困難になっていく。以上の理由によってＴＭＲ素子の限界は３００Gbit/inch２であろうと見積もられている。
【００１０】
これに対して、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子といった二端子素子とは異なる、「スピンバルブトランジスタ」といわれる三端子素子の開発が行われている。その素子構造としては、ＳＭＳ（Semiconductor- Metal- Semiconductor）型とＭＩＭＳ（Metal- Insulator- Metal- Semiconductor）型とがあるが、いずれもベース層がスピンバルブ膜からなる二重接合三端子素子である。
【００１１】
図１３は、本発明者が本発明に至る過程で検討したスピンバルブトランジスタの構造を表す模式図である。
【００１２】
また、図１４は、そのエネルギーダイアグラム図である。
【００１３】
このスピンバルブトランジスタの場合、非磁性金属からなるエミッタＥ、スピンバルブ膜からなるベースＢ、半導体からなるコレクタＣを有する。ベースＢのスビンバルブ膜は、磁化固定層ＭＰ／非磁性層ＮＭ／磁化自由層ＭＦという積層構造を有する。また、エミッタＥとベースＢとの間には、絶縁体からなる障壁層ＴＢが設けられている。
【００１４】
ベースＢが有する２つ磁化固定層ＭＰ及びＭＦには、保磁力の差が設けられている。保磁力が大きい層は、その磁化Ｍが実質的に一方向に固定された磁化固定層ＭＰとして作用する。また、保磁力が小さい層は、その磁化Ｍの方向が外部からの磁界により変化しうる磁化自由層ＭＦとして作用する。
【００１５】
このトランジスタは、エミッタＥから障壁層ＴＢを超えてベース層にホットエレクトロンを注入すると、ホットエレクトロンがベース層内でスピンに依存した散乱を受けるため、スピンバルブ膜の磁化の相対的向きによってコレクタ電流が大きく変化するという、ホットエレクトロンの磁気抵抗効果を利用した素子である。そして、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子よりも高い感度で磁気検出が可能である。
【００１６】
しかし、このようなスピンバルブトランジスタにおいても、記録密度を上げるために素子を微細化すると出力電流が低下する。このため、ＴＭＲ素子と同様に浮遊容量の影響により動作速度の低下が懸念される。
【００１７】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、０．１ミクロン以下の素子サイズにおいても高いＳ／Ｎ比とギガヘルツ（ＧＨｚ）帯の高速応答が得られ、且つ耐久性も高いスピンバルブトランジスタ及びこれを用いた磁気ヘッドを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１のスピンバルブトランジスタは、
第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上にエピタキシャル成長され前記第１の半導体層とは異なる組成を有する第２の半導体層と、を有するコレクタ部と、
前記第２の半導体層の上に設けられたベース部であって、磁化方向が第１の方向に実質的に固着された磁性体膜を有する磁化固定層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁性体膜を有する磁化自由層と、前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性層と、を有するベース部と、
前記ベース部の上に設けられた絶縁性の障壁層と、
前記障壁層の上に設けられたエミッタ部と、
を備え、
前記第２の半導体層の電子親和力が、前記第１の半導体の電子親和力よりも小なることを特徴とする。
【００１９】
上記構成によれば、ベース部の磁性層とコレクタ部の第２の半導体層との間に形成されるショットキー障壁を高くしてＳＮ比を向上させることができる。
また、前記第２の半導体層の電子親和力が、前記第１の半導体の電子親和力よりも小なるものとすれば、ベース部の磁性層との間のショットキー障壁を確実に高くすることができ、ＳＮ比を向上できる。
【００２０】
一方、本発明の第２のスピンバルブトランジスタは、
第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上にエピタキシャル成長され前記第１の半導体層とは異なる組成を有する第２の半導体層と、を有するコレクタ部と、
前記第２の半導体層の上に設けられたベース部であって、磁化方向が第１の方向に実質的に固着された磁性体膜を有する磁化固定層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁性体膜を有する磁化自由層と、前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性層と、を有するベース部と、
前記ベース部の上に設けられた絶縁性の障壁層と、
前記障壁層の上に設けられたエミッタ部と、
を備え、
前記第２の半導体層のエネルギーバンドギャップが、前記第１の半導体のエネルギーバンドギャップよりも大なることを特徴とする。
前記第２の半導体層のエネルギーバンドギャップが、前記第１の半導体のエネルギーバンドギャップよりも大なるものとしても、ベース部の磁性層との間のショットキー障壁を確実に高くすることができ、ＳＮ比を向上できる。
【００２１】
一方、本発明の第３のスピンバルブトランジスタは、
コレクタ部と、
遷移金属の酸化物を含む半導体層を有するエミッタ部と、
前記コレクタ部と前記半導体層との間に設けられたベース部であって、磁化方向が第１の方向に実質的に固着された磁性体膜を有する磁化固定層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁性体膜を有する磁化自由層と、前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性層と、を有するベース部と、
前記半導体層と前記ベース部との間に設けられた絶縁性の障壁層と、
を備えたことを特徴とする。
【００２２】
上記構成によれば、エミッタ部の半導体層からＭＩＳ構造を介してホットエレクトロンを注入できるために、小さな印加電圧でホットエレクトロンを注入でき、電圧を低下することにより障壁層の劣化や破壊を防ぐことができるとともに、電流透過率を向上させることができる。
【００２３】
ここで、前記半導体層は、遷移金属の酸化物からなるものとすれば、仕事関数が大きく、障壁層のポテンシャルバリアを大きく変形させてホットエレクトロンの注入効率をさらに高くすることができる。
【００２４】
一方、本発明の第１の磁気ヘッドは、上記いずれかのスピンバルブトランジスタと、
前記スピンバルブトランジスタと同一の基板上に形成された電界効果トランジスタと、
を備え、
前記スピンバルブトランジスタの出力が前記電界効果トランジスタのゲートに接続されていることを特徴とする。
【００２５】
上記構成によれば、浮遊容量を大幅に低下させ、大きなＳＮ比と高速動作が可能となる。
【００２６】
また、本発明の第２の磁気ヘッドは、
上記のいずれかのスピンバルブトランジスタと、
前記スピンバルブトランジスタの前記磁化自由層に磁気的に結合されたフラックスガイドと、
を備え、
記録媒体からの信号磁界を前記フラックスガイドを介して前記磁化自由層に導くことを特徴とする。
【００２７】
上記構成によれば、記録媒体からスピンバルブトランジスタを十分に離して設けることが可能となり、トランジスタの耐久性を向上させるとともに、より高い記録密度に対応することができる。
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００２８】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかるスピンバルブトランジスタの断面構造を表す模式図である。
【００２９】
また、図２は、図１（ａ）に表したトランジスタのエネルギーダイアグラム図である。
【００３０】
本実施形態のスピンバルブトランジスタは、非磁性金属からなるエミッタＥ、スピンバルブ膜からなるベースＢ、半導体からなるコレクタＣを有する。ベースＢのスビンバルブ膜は、磁化固定層ＭＰ／非磁性層ＮＭ／磁化自由層ＭＦという積層構造を有する。また、エミッタＥとベースＢとの間には、絶縁体からなる障壁層ＴＢが設けられている。
【００３１】
ベースＢが有する２つ磁化固定層ＭＰ及びＭＦには、保磁力の差が設けられている。保磁力が大きい層は、その磁化Ｍが実質的に一方向に固定された磁化固定層ＭＰとして作用する。また、保磁力が小さい層は、その磁化Ｍの方向が外部からの磁界により変化しうる磁化自由層ＭＦとして作用する。
【００３２】
但し、スピンバルブ膜の積層順序は、この逆でも良い。
【００３３】
図１（ｂ）は、磁化固定層ＭＰと磁化自由層ＭＦの積層順序を反転させた構造を表す模式図である。
【００３４】
これらのトランジスタは、エミッタＥから障壁層ＴＢを超えてベースＢにホットエレクトロンＨＥを注入すると、ホットエレクトロンがベースＢにおいてスピンに依存した散乱を受けるため、スピンバルブ膜の磁化の相対的向きによってコレクタ電流が大きく変化する。つまり、ホットエレクトロンの磁気抵抗効果を利用して高感度の磁気検出ができる。
【００３５】
スピンバルブ膜の磁化Ｍが平行、すなわち磁化固定層ＭＰの磁化Ｍと磁化自由層ＭＦの磁化Ｍとが平行の場合にコレクタ電流は最大となり、これらが反平行の場合にコレクタ電流は最小となる。磁化Ｍが平行／反平行のコレクタ電流比（ＭＲ比）としては、３００パーセントあるいはそれ以上の値を得ることが可能である。この値は、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子より１桁程度大きく、より高密度な磁気記録用の再生ヘッドを実現できる可能性がある。
【００３６】
そして、本実施形態においては、コレクタＣの半導体層ＳＣとベースＢとの間に、エピタキシャル層ＥＰが設けられている。このエピタキシャル層を、半導体層ＳＣよりもエネルギーバンドギャップの大きい半導体、あるいは電子親和力が小さい半導体により形成すると、スピンバルブトランジスタのＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【００３７】
以下、この理由について詳述する。
【００３８】
図３は、従来のＧＭＲ素子に替えてスピンバルブトランジスタを磁気ヘッドとして用いた場合の等価回路図である。
【００３９】
また、図４は、その出力端Ｏ1、Ｏ2からの出力信号を例示するグラフ図である。
【００４０】
これらの図において、ＲｔはエミッタＥ／ベースＢ間のトンネル抵抗であり、Ｒはコレクタ回路の外部抵抗である。また、Ｃは増幅器への配線に伴う浮遊容量である。また、ＶＥはトランジスタに供給される直流電圧であり、ＩＥ＝ＶＥ／Ｒｔはトランジスタに供給される直流電流である。また、Ｖｏは直流出力電圧であり、Ｖsigは信号電圧である。
【００４１】
出力端における電気的雑音Ｖnは、次式の如く、主としてトンネル接合での電流揺らぎと外部抵抗Ｒの熱雑音Ｖthermalにより生ずる。
【数１】
0003636699.tif 000002
これらのうち、前者は、古典的なショット雑音で近似することができ、バンド幅Δｆの場合下記の式で表せる。
【数２】
0003636699.tif 000003
また、熱雑音Ｖthermalは、次式により表すことができる。
【数３】
0003636699.tif 000004
これらの前提のもと、まずはじめに、ＳＮ比３０（〜３０ｄＢ）を得るために必要なＭＲ比および電流透過率の条件を考える。ここで、ＭＲ比は、ベースＢにおける磁化固定層ＭＰと磁化自由層ＭＦの磁化Ｍが互いに平行な状態におけるコレクタ電流Ｉpと、互いに反平行状態でのコレクタ電流Ｉapとの比Ｉp／Ｉapである。また、電流透過率は、磁化Ｍが互いに平行な状態での、コレクタ電流Ｉpとエミッタ電流Ｉeとの比Ｉp／Ｉeである。
【００４２】
また、動作温度Ｔは４００Ｋ、バンド幅Δｆは３００ＭＨｚとした。信号電圧Ｖsigは、通常のＴＭＲヘッドの場合と同様に、次式に表した値とした。
【数４】
0003636699.tif 000005
また、電圧Ｖoは、ＶpとＶapを用いて次式により表される。
【数５】
0003636699.tif 000006
図５は、ＳＮ比として３０が得られる条件を表すグラフ図である。すなわち、同図の横軸はＭＲ比、縦軸は透過率をそれぞれ表す。
【００４３】
ここでは、５００Gb/inch２の記録密度に対応して、サイズＡ＝５０×５０ｎｍ２の素子を想定した。また、トンネル接合の比抵抗ＲtＡは１Ωμｍ２とし、ＶE＝３ボルトとした。図中の実線（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれＶsig＝５ｍＶ、１０ｍＶ、２０ｍＶ、４０ｍＶの場合に、ＳＮ比＝３０を満足するＭＲ比と透過率の関係を表す。このグラフにおいては、例えば出力電圧が１０ｍＶの場合には、実線（ｂ）よりも上側の領域が、ＳＮ比＞３０を満足する。他の出力電圧に関しても同様である。
【００４４】
図５から、抵抗Ｒを大きくし、信号電圧Ｖsigを大きくすると、一定のＭＲ比の下で、より小さな透過率でもＳＮ比＞３０を満足することが分かる。スピンバルブトランジスタは、透過率を大きくすることが難しいので、より大きな抵抗を用い信号電圧を大きくすることがＳＮ比の向上に有利である。
【００４５】
しかしながら、信号電圧Ｖsigを大きくすると直流出力電圧Ｖoも増大する。出力電圧Ｖoがショットキー障壁の高さに相当する電圧Ｖbを超えると、コレクタに流れ込んだ電子がベースに逆流するためＶoの上限はＶbとなる。
【００４６】
図中の点線（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）は、それぞれＶb＝０．６Ｖ、０．８Ｖ、１．２Ｖの場合にＳＮ比＝３０を満たすＭＲ比と透過率の関係を示す。例えば、Ｖb＝０．８Ｖの場合には、点線（ｆ）よりも上側の領域がＳＮ比＞３０を満足する。他のＶｂについても同様である。
【００４７】
図５から、ショットキー障壁に対応する電圧Ｖbが大きいほど、ＳＮ比の高い領域が拡大し、高いＳＮ比を得やすくなることが分かる。これは、信号電圧を大きくできるからである。金属と半導体との間に形成されるショットキー障壁の高さは、一般に、半導体の電子親和力が小さくなるほど、高くなる。バンドギャップについて言うと、一般的には、バンドギャップが広くなるほど、ショットキー障壁は高くなる傾向がある。従って、図１及び図２に表したように、コレクタＣの半導体層ＳＣの表面に、電子親和力の小さい、あいるはバンドギャップが広いエピタキシャル層ＥＰを設けることにより、ベースＢの磁化固定層ＭＰあるいは磁化自由層ＭＦとの間に形成されるショットキー障壁を高くして、高いＳＮ比を得ることができる。
【００４８】
以下、本発明のスピンバルブトランジスタの各部を構成する材料について説明する。
【００４９】
まず、コレクタＣを構成する半導体層ＳＣの材料としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）などの単体元素半導体や、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの各種の化合物半導体を用いることができる。
【００５０】
そして、この上に形成するエピタキシャル層ＥＰの材料としても、これら各種の単元素あるいは化合物半導体を用いることができる。そして、図５に関して前述したように、半導体層ＳＣよりも広いエネルギーバンドギャップを有する半導体によりエピタキシャル層ＥＰを形成することにより、その上に形成する磁性金属層との間のショットキー障壁を高くして、トランジスタのＳ／Ｎ比を上げることができる。
【００５１】
一方、磁化固定層ＭＰ、磁化自由層ＭＦ、強磁性層ＦＭは、強磁性体を含有する単層あるいは積層構造とすることができる。例えば、強磁性体からなる単一の層としても良いし、複数の強磁性体層の積層構造としても良いし、あるいは、強磁性体層とその他の層との積層構造としてもよい。ここで用いる強磁性体の材料としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）などの強磁性体、あるいはこれらを含有した強磁性を有する各種の合金を用いることができる。
【００５２】
非磁性層ＮＭは、磁化固定層ＭＰと磁化自由層ＭＦとの磁気的な結合を遮断する役割を有し、さらに磁化固定層ＭＰと磁化自由層ＭＦとの間を流れるアップスピン電子が散乱されないような界面を形成する役割を有することが望ましい。その材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ロジウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）などを用いることができる。その膜厚は、磁化固定層ＭＰと磁化自由層ＭＦとの間の磁気結合が十分に遮断できる程度に厚く、流入するアップスピン電子が散乱されない程度に薄いことが必要であり、材料に異なるが概ね０．５〜３０ｎｍの範囲にあることが望ましい。
【００５３】
障壁層ＴＢの材料としては、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）などの各種の酸化物や窒化物などの電気的な絶縁体を用いることができる。その膜厚は、ホットエレクトロンＨＥがトンネリングできる程度に薄いことが望ましい。
【００５４】
また、エミッタＥの材料としては、アルミニウム（Ａｌ）や金（Ａｕ）などの各種の金属材料を用いることができる。
【００５５】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００５６】
前述した第１実施形態においては、エミッタＥからホットエレクトロンＨＥを注入するために、エミッタＥ／ベースＢ間に絶縁性の障壁層ＴＢを設けて、金属／絶縁体／金属（ＭＩＭ）構造のトンネル接合を形成している。このトンネル接合に数ボルトの電圧を印加すると、ホットエレクトロンＨＥを注入することが可能であるが、絶縁体からなる障壁層ＴＢの厚さは１ｎｍ以下とする必要があるので、印加される電界に対する耐久性に改善に余地がある。
【００５７】
このようなＭＩＭ構造に替えて、ショットキー構造（ＭＳ構造）を設けることも考えられるが、この場合には、注入されるホットエレクトロンのエネルギーが低く、高い透過率が得られていない。
【００５８】
そこで、本実施形態においては、これらの構造に替えて、金属／絶縁体／半導体（ＭＩＳ）構造を採用する。
【００５９】
図６は、本実施形態のスピンバルブトランジスタの断面構造を表す模式図である。同図については、図１乃至図５に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。すなわち、本実施形態においては、エミッタＥを半導体層ＳＥにより構成する。
【００６０】
図７及び図８は、本実施形態における障壁層ＴＢの付近のエネルギーバンドダイアグラム図である。
【００６１】
同図からも分かるように、ＭＩＳ構造の場合、半導体層ＳＥの伝導帯Ｅvから電子を放出するので、小さな印加電圧で高いエネルギーのホットエレクトロンＨＥを注入できる。このため、電界による障壁層ＴＢの劣化を抑制して、耐久性があり且つ透過率の高いスピンバルブトランジスタを得ることができる。
【００６２】
またここで、半導体層ＳＥとして、酸化チタン（ＴｉＯｘ）、酸化マンガン（ＭｎＯｘ）、酸化鉄（ＦｅＯｘ）などの遷移金属の酸化物を用いるとさらによい。何故ならば、これら遷移金属酸化物は、仕事関数が大きいために金属との間に大きな接触電位差が生じ、絶縁体からなる障壁層ＴＢに大きな内部電界が発生するからである。すなわち、この電界により、障壁層ＴＢのポテンシャルバリアは図８に例示したように大きく変形し、ホットエレクトロンＨＥの注入効率を高めることができる。
【００６３】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態として、第１あるいは第２実施形態のスピンバルブトランジスタを磁気ヘッドに応用する際の構造上の工夫点について説明する。
【００６４】
まず、磁気ヘッドの動作速度に関して説明する。磁気ヘッドの動作速度は、図３に表した回路の時定数ＲＣにより決定される。従って、トランジスタの抵抗Ｒを大きくする場合には、浮遊容量Ｃを小さくしなければならない。
【００６５】
図９は、浮遊容量ＣとＳＮ比との関係を例示するグラフ図である。
【００６６】
すなわち、同図中の実線（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図５と同様に、それぞれＶsig＝５ｍＶ、１０ｍＶ、２０ｍＶ、４０ｍＶの場合に、ＳＮ比＝３０を満足するＭＲ比と透過率の関係を表す。そして、点線（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）は、ＲＣ＝３．３３ｎｓ（３００ＭＨｚ）の条件下で、それぞれＣ＝１ｐＦ、０．１ｐＦ、０．０１ｐＦの場合にＳＮ比＝３０を満たすＭＲ比と透過率との関係を表す曲線である。例えば、Ｃ＝０．１ｐＦの場合には、点線（ｆ）よりも上側の領域がＳＮ比＞３０でかつ３００ＭＨｚ以上の速さで動作する領域である。
【００６７】
図９から明らかなように、大きな信号電圧（大きなＳＮ比）と高速動作とを両立させるには、浮遊容量Ｃの低減が必要となる。浮遊容量Ｃの低減に最も有効な手段としては、図１０に例示したように、スピンバルブトランジスタＳＶＴの出力を、同一チップ上に形成されたＦＥＴのゲートに接続する方法が考えられる。すなわち、このＦＥＴは、スピンバルブトランジスタＳＶＴと同一のＧａＡｓ基板などの上にモノリシックに形成したものであることが望ましい。
【００６８】
このような回路構成の場合には、浮遊容量Ｃを０．００１ｐＦ以下にすることが可能であり、大きなＳＮ比と高速動作を両立させることができる。
【００６９】
次に、スピンバルブトランジスタＳＶＴの耐久性を確保するためには、トランジスタを記録媒体から離して設けることが望ましい。このためには、フラックスガイドを用いるとよい。
【００７０】
図１１は、記録媒体からの信号磁界をフラックスガイドによりスピンバルブトランジスタに導く構造を例示する概念図である。すなわち、同図（ａ）及び（ｂ）は、記録媒体の上に形成される記録トラック及び記録ビットに対して、異なる２つの方向から眺めた概念図である。
【００７１】
同図に例示した磁気ヘッドの場合、スピンバルブトランジスタＳＶＴの磁化自由層ＭＦの部分が記録媒体の方向に延在してフラックスガイドＦＧを形成している。図１１に例示した構造の場合、コレクタＣも磁化自由層ＭＦと一緒に、延在して形成されているが、これは、薄膜状の磁化自由層ＭＦを機械的に支持する役割を有する。
【００７２】
フラックスガイドＦＧの先端は、記録トラックのトラック幅及び記録ビットのビット長と同程度にまで収束されている。このような形状のフラックスガイドＦＧを設けることにより、微細な記録ビットからの記録磁界を確実に吸い上げ、スピンバルブトランジスタＳＶＴに導くことができる。
【００７３】
また、フラックスガイドは、記録ビットからの信号磁界を確実に通す材料により形成することが望ましい。このためには、透磁率が高く、保持力が小さい磁性体により形成することが望ましい。具体的には、鉄ニッケル（ＦｅＮｉ）などを用いることができ、磁化自由層ＭＦと同様の材料により形成することができる。
【００７４】
従来のＧＭＲ素子やＴＭＲ素子では、ＭＲ比が小さいために長いフラックスガイドを用いると感度が低下することがあり、素子を媒体から十分離して設置することが困難であった。これに対して、ＭＲ比の大きいスピンバルブトランジスタの場合は、図１１に例示したように、フラックスガイドＦＧを用いて記録媒体から十分に離して設置することによりトランジスタ素子の耐久性を増大することができる。またフラックスガイドＦＧを用いることにより、記録ビットサイズに比較して、はるかに大きなサイズのトランジスタ素子の利用が可能となるため、より高い記録密度に対応することができる。
以上、本発明の第１乃至第３の実施の形態について説明した。
【００７５】
次に、実施例を参照しつつ、本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明する。
【００７６】
（第１の実施例）
まず、本発明の第１の実施例として、図１（ａ）に表した構造を有するスピンバルブトランジスタを製作した。
【００７７】
すなわち、コレクタＣを構成する半導体層ＳＣとして（００１）面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板、エピタキシャル層ＥＰとしてノンドープ（non-dope）ＧａＡｓ層をエピタキシャル成長させた半導体層を用いた。
【００７８】
また、ベースＢを構成する磁化自由層ＭＦ、非磁性層ＮＭ、磁化固定層ＭＰとしては、それぞれ鉄（Ｆｅ）、金（Ａｕ）、鉄（Ｆｅ）をこの順番に（００１）面にエピタキシャル成長により積層した。
【００７９】
また、障壁層ＴＢとしては、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を用いた。
【００８０】
そして、エミッタＥを構成する金属材料としては、アルミニウム（Ａｌ）を用いた。
【００８１】
本実施例においては、マルチチャンバー構成のＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）装置（バックグラウンド圧力：２×１０−８Ｐａ）を用いて製作した。その製作方法は、以下の如くである。
【００８２】
ます、ＭＢＥの第１チャンバー内で、ｎ＋型ＧａＡｓ（００１）ウェーハ上にノンドープＧａＡｓ層を１００ｎｍの厚さにエピタキシャル成長した。ＳＴＭ（Scanning Tunneling Microscopy：走査トンネル顕微鏡）およびＲＨＥＥＤ（Reflection High Energy Electron Diffraction：高速電子線回折）による観察により、ＧａＡｓ表面が砒素（Ａｓ）のダイマーにより終端された２×４構造の表面再配列構造となっていることを確認した。テラスの幅は、約０．５マイクロメータであった。
【００８３】
次に、ウェーハをＭＢＥの第２チャンバー内に移し、層間絶縁膜としてフッ化カルシウム（ＣａＦ２）を２００ナノメータの厚さに形成し、ベース／コレクタ間ショットキー接合の面積を５０マイクロメータ×５０マイクロメータとした。続いて、ベースＢを構成する鉄（Ｆｅ）１ｎｍ／金（Ａｕ）５ｎｍ／鉄（Ｆｅ）１ｎｍ（００１）エピタキシャル薄膜の形成を順次行った。この成長にはクヌードセン・セル（Knudsen cell）を用い、０．３ナノメータ／分の成長速度で形成した。ここで、上側の鉄（Ｆｅ）層の形成を５０００エルステッド（Ｏｅ）の磁場中で行うことにより磁化Ｍを固定して磁化固定層ＭＰとした。
【００８４】
続いて、ＭＢＥの第３のチャンバー内で、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなるトンネル絶縁膜を形成した。すなわち、酸素（Ｏ２）分圧１０−３パスカル（Ｐａ）の雰囲気で、アルミニウム（Ａｌ）ソースを用い、Ａｌ２Ｏ３を１．５ｎｍの厚さに形成した。
【００８５】
次に、再びウェーハをＭＢＥの第２チャンバーに戻し、厚さ２００ナノメータのフッ化カルシウム（ＣａＦ２）からなる層間絶縁膜を形成して、ベースＢ／エミッタＥ間のトンネル接合の面積を５０マイクロメータ×５０マイクロメータとした。その後、エミッタＥとしてアルミニウム（Ａｌ）を１００ナノメータの厚みに形成した。
【００８６】
このようにして製作したスピンバルブトランジスタのベースＢ・コレクタＣの間のショットキー接合の電流電圧特性を測定し、障壁の高さを求めた結果、０．７９ｅＶであった。また、このトランジスタの面内に磁場を印加して、ＭＲ比およびコレクタ電流／エミッタ電流比（電流透過率）の測定を行なった。その結果、２．５ボルトの電圧を印加した状態で、ＭＲ比は１６０パーセント、コレクタ電流／エミッタ電流の比（電流透過率）は１×１０−２であった。すなわち、ＭＲ比、電流透過率ともに高い値が得られた。
【００８７】
（第２の実施例）
次に、コレクタＣのエピタキシャル層ＥＰとして、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ（ｘ＝０．４２）を用いたスピンバルブトランジスタを製作した。すなわち、本実施例においては、エピタキシャル層ＥＰとして第１実施例のノンドープＧａＡｓ層の代わりにＡｌＧａＡｓ層を用いた以外は、前述した第１実施例と同様な方法でトランジスタを形成した。
【００８８】
このトランジスタのベースＢ・コレクタＣの間のショットキー接合の電流電圧特性を測定し、障壁の高さを求めた結果、１．２１ｅＶであった。また、このトランジスタに２．５Ｖの電圧を印加した状態でのＭＲ比は１６５％、電流透過率は９．５×１０−３であった。
【００８９】
（比較例）
また、比較例として、エピタキシャル層ＥＰとして第１実施例のノンドープＧａＡｓ層の代わりに、不純物濃度が１０１７ｃｍ−３のシリコン（Ｓｉ）ドープＧａＡｓ層を用いた以外は、前述した第１実施例と同様な方法でトランジスタを形成した。
【００９０】
このトランジスタのベースＢ・コレクタＣの間のショットキー接合の電流電圧特性を測定し、障壁の高さを求めた結果、０．６２ｅＶであった。また、このトランジスタに２．５Ｖの電圧を印加した状態でのＭＲ比は１５０％、電流透過率は１．１×１０−２であった。
【００９１】
（第３の実施例）
次に、エミッタＥを構成する半導体層ＳＥとして、酸化鉄（ＦｅＯｘ）を用いたスピンバルブトランジスタを製作した。すなわち、本実施例においては、エミッタＥとして第１実施例のアルミニウム（Ａｌ）の代わりに酸化鉄（ＦｅＯｘ）を用いた以外は、前述した第１実施例と同様な方法でトランジスタを形成した。但し、酸化鉄エミッタの形成は、ＭＢＥの第２チャンバ内で形成した鉄（Ｆｅ）を第３チャンバー内に酸素を導入して酸化することにより、行った。
【００９２】
このトランジスタのエミッタＥ・ベースＢ間の電流電圧特性は、図１２に表したように、ＭＩＳ特性を示した。また、このトランジスタは、１．５Ｖという低いバイアス電圧を印加した状態の下でも、９．５×１０−２という高い電流透過率を示し、また、ＭＲ比も１６０％と比較的良好な値が得られた。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、スピンバルブトランジスタを構成する各要素の具体的な寸法関係や材料、その他、基板、電極、導電型、ドーパント、絶縁構造などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
【００９３】
従って、公知のＧＭＲ素子に採用されているスビンバルブ膜の構造は、そのままあるいは適宜修正を加えた上で本発明のスピンバルブトランジスタに採用することが可能であり、これらも本発明の範囲に包含される。
【００９４】
また、本発明のスピンバルブトランジスタにおける磁化自由層、非磁性層、磁化固定層、エミッタを構成する強磁性層などの構成要素は、それぞれ単層として形成してもよく、あるいは２以上の層を積層した構造としてもよい。
【００９５】
その他、本発明の実施の形態として上述したスピンバルブトランジスタを基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべてのスピンバルブトランジスタも同様に本発明の範囲に属する。
【００９６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、コレクタとして伝導度の高い半導体基板上にエピタキシャル成長されたバンドギャップの広い半導体を用いることにより、スピンバルブトランジスタのＳＮ比を向上させることができる。
【００９７】
また、スピンバルブトランジスタのエミッタ／ベース間をＭＩＳ構造とすることにより、ホットエレクトロンの注入効率が改善され、障壁層に印加する電圧を低下させて素子の耐久性を上げることができる。
【００９８】
またさらに、本発明のスピンバルブトランジスタを同一基板上に形成されたＦＥＴと一体化することにより、ギガヘルツ（ＧＨｚ）帯での動作が可能で数１００Ｇｂ／ｉｎｃｈ２の記録密度に対応する磁気ヘッドを提供することができる。
【００９９】
また一方、フラックスガイドなどの磁気回路を用いてトランジスタを記録媒体から離すことにより、より耐久性のある磁気ヘッドを提供することができる。
【０１００】
すなわち、本発明によれば、ＳＮ比が大きく高速読み出し動作が実用可能な素子を提供することができ産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかるスピンバルブトランジスタの断面構造を表す模式図である。
【図２】図１（ａ）に表したトランジスタのエネルギーダイアグラム図である。
【図３】従来のＧＭＲ素子に替えてスピンバルブトランジスタを磁気ヘッドとして用いた場合の等価回路図である。
【図４】図３の構成において出力端Ｏ1、Ｏ2からの出力信号を例示するグラフ図である。
【図５】ＳＮ比として３０が得られる条件を表すグラフ図である。
【図６】本発明の第２実施形態のスピンバルブトランジスタの断面構造を表す模式図である。
【図７】第２実施形態における障壁層ＴＢの付近のエネルギーバンドダイアグラム図である。
【図８】第２実施形態における障壁層ＴＢの付近のエネルギーバンドダイアグラム図である。
【図９】浮遊容量ＣとＳＮ比との関係を例示するグラフ図である。
【図１０】スピンバルブトランジスタＳＶＴの出力を、同一チップ上に形成されたＦＥＴのゲートに接続した構成を表す概念図である。
【図１１】記録媒体からの信号磁界をフラックスガイドによりスピンバルブトランジスタに導く構造を例示する概念図である。
【図１２】本発明の実施例のトランジスタのエミッタＥ・ベースＢ間の電流電圧特性を表すグラフ図である。
【図１３】本発明者が本発明に至る過程で検討したスピンバルブトランジスタの構造を表す模式図である。
【図１４】図１３のスピンバルブトランジスタのエネルギーダイアグラム図である。
【符号の説明】
ＥＰ エピタキシャル層
ＦＧ フラックスガイド
ＦＭ 強磁性層
ＨＥ ホットエレクトロン
Ｍ 磁化
ＭＦ 磁化自由層
ＭＰ 磁化固定層
ＮＭ 非磁性層
ＳＣ、ＳＥ 半導体層
ＳＶＴ スピンバルブトランジスタ
ＴＢ 障壁層
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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