(57)【要約】【課題】電圧出力のノイズを抑制することが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、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、磁化固定層１２Ｂ又は磁化自由層１２Ｃのいずれか一方の磁化層に電気的に接続される配線と、を備え、配線は、第１配線部Ｗ１及び第２配線部Ｗ３を有し、第１配線部Ｗ１は、磁化固定層１２Ｂと磁化自由層１２Ｃとを結ぶ方向に対して直交し、かつ、磁化層と平行な方向における磁化層の一端部Ｐと、磁化層とは離れた場所とを電気的に接続し、第２配線部Ｗ３は、磁化層の他端部Ｑと、磁化層とは離れた場所とを電気的に接続することを特徴とする。【選択図】図１
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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、
前記磁化固定層又は前記磁化自由層のいずれか一方の磁化層に電気的に接続される配線と、を備え、
前記配線は、第１配線部及び第２配線部を有し、
前記第１配線部は、前記磁化固定層と前記磁化自由層とを結ぶ方向に対して直交し、かつ、前記磁化層と平行な方向における前記磁化層の一端部と、前記磁化層とは離れた場所とを電気的に接続し、
前記第２配線部は、前記磁化層の他端部と、前記磁化層とは離れた場所とを電気的に接続する、スピン伝導素子。
【請求項２】
前記磁化固定層及び前記磁化自由層に対して、それぞれ前記配線が電気的に接続されている、請求項１に記載のスピン伝導素子。
【請求項３】
前記チャンネル上に配置された第１電極及び第２電極と、を更に備え、
前記チャンネルは所定方向に延び、
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４】
前記チャンネルを覆う第３絶縁層を更に備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
【請求項５】
前記第３絶縁層が酸化膜である、請求項４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１〜８のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
【請求項１０】
第１電流源を更に備え、
前記第１電流源は、前記第１配線部及び前記第２配線部に電気的に接続している、請求項１〜９のいずれか一項に記載のスピン伝道素子。
【請求項１１】
第２電流源及び第３電流源を更に備え、
前記第２電流源は、前記第１配線部に電気的に接続し、
前記第３電流源は、前記第２配線部に電気的に接続している、請求項１〜９のいずれか一項に記載のスピン伝道素子。
【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、スピン拡散長が長く、スピン出力が大きい。
【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】
しかしながら、従来のスピン伝導素子では、ノイズが十分に低減できない場合があった。そこで、本発明は、ノイズを十分に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】
【０００５】
本発明者等が検討したところ、以下のことが判明した。すなわち、スピン伝導素子のノイズの大きな要因として寄生電圧が挙げられる。そして、磁化固定層と磁化自由層とを結ぶ方向（スピン流の流れ方向）と直交し、かつ磁化固定層や磁化自由層と平行な方向（以下、第１方向と呼ぶことがある）における電位差が、電流注入側となる磁化固定層又は磁化自由層の直下のチャンネルに生じると、寄生電圧によるノイズが大きくなることを見出した。そして、チャンネルの第１方向における電位差は、主として、電子注入側となる磁化固定層又は磁化自由層に接続される配線内の第１方向における電位差に起因する。
【０００６】
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、磁化固定層又は磁化自由層のいずれか一方の磁化層に電気的に接続される配線と、を備え、配線は、第１配線部及び第２配線部を有し、第１配線部は、磁化固定層と磁化自由層とを結ぶ方向に対して直交し、かつ、磁化層と平行な方向における磁化層の一端部と、磁化層とは離れた場所とを電気的に接続し、第２配線部は、磁化層の他端部と、磁化層とは離れた場所とを電気的に接続することを特徴とする。
【０００７】
本発明のスピン伝導素子では、磁化固定層又は磁化自由層のいずれか一方の磁化層に電気的に接続される配線が、第１配線部及び第２配線部を有し、当該第１配線部及び第２配線部によって、磁化固定層と磁化自由層とを結ぶ方向に対して直交し、かつ、磁化層と平行な上記第１方向における電位の分布が均一化されやすい。従って、当該配線から磁化固定層または磁化自由層に対して電子が供給される際に、磁化固定層または磁化自由層において第１方向における電位差の発生を抑制できる。故に、磁化固定層または磁化自由層の直下のチャンネル層における第１方向における電位差が抑制され、スピン伝導素子の寄生電圧を下げることができ、出力電圧のノイズを低減できる。これに対して、第１配線部のみ、あるいは第２配線部のみであると、第１方向における電位差が大きくなる。
【０００８】
また、磁化固定層及び磁化自由層に対して、それぞれ当該配線が電気的に接続されていることが好ましい。これによれば、磁化固定層及び磁化自由層にそれぞれ電気的に接続された配線のいずれかからの電流注入も好適に行えて好ましい。
【０００９】
また、チャンネル上に配置された第１電極及び第２電極と、を更に備え、チャンネルは所定方向に延び、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ていることが好ましい。このようないわゆるチャンネルが細線型のスピン伝導素子では、特に、磁化固定層と磁化自由層とを結ぶ方向（すなわち、スピン流方向）と直交する方向、かつ磁化層と平行な方向（第１方向）におけるチャンネル内の電位差の発生によりノイズが発生しやすいが、本発明では、ノイズを効果的に抑制できる。
【００１０】
また、チャンネルを覆う第３絶縁層を更に備えることが好ましい。これにより、チャンネルから外側への意図しないスピンの漏出を抑制できて好ましい。
【００１１】
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。
【００１２】
また、第１絶縁層及び第２絶縁層が酸化マグネシウムであることが好ましい。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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
また、磁化固定層上に形成された反強磁性層を更に備え、反強磁性層は、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。
【００１６】
また、第１電流源を更に備え、第１電流源は、第１配線部及び第２配線部に電気的に接続していることが好ましい。第１電流源により、第１配線部及び第２配線部を介して磁化層の両端部から電流を効果的に注入できる。
【００１７】
あるいは、第２電流源及び第３電流源を更に備え、第２電流源は、第１配線部に電気的に接続し、第３電流源は、第２配線部に電気的に接続していることが好ましい。第２電流源と第３電流源をそれぞれ独立に制御することにより、磁化層の両端部から注入される電流量をそれぞれ調整できる。故に、電圧出力のノイズをより効果的に低減できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、電圧出力のノイズを抑制することが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】
【００１９】
【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Ｋを拡大した図である。
【図５】図３の変形例を示す断面図である。
【図６】実施例で作成したスピン伝導素子を示す図である。
【図７】比較例で作成したスピン伝導素子を示す断面図である。
【図８】（ａ）比較例で作成したスピン伝導素子の寄生電圧を測定した結果を示すグラフである。（ｂ）実施例で作成したスピン伝導素子の寄生電圧を測定した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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）
【００２１】
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。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、図４（ａ）における領域Ｋを拡大した図である。図１〜４には、ＸＹＺ直交座標軸系が示されている。
【００２２】
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、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、第２電極２０Ｄ、を主として備えている。
【００２３】
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。すなわち、第１電極２０Ａと第２電極２０Ｄは、磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃの両外側に配置されている。所定方向Ａｘは、Ｙ軸方向に平行とする。
【００２４】
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。
【００２５】
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、所定方向Ａｘに延びている。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は、シリコンから形成されている。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いる。シリコンチャンネル７の上面におけるＸ軸方向の幅は、１０〜２００μｍが好ましい。シリコンチャンネル７は、例えば１００ｎｍの厚さを有する。
【００２６】
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。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。
【００２７】
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。図２に示すように、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。絶縁層８は、第１絶縁層８１及び第２絶縁層８２からなる。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、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。
【００２８】
磁化固定層１２Ｂは、シリコンチャンネル７上に第１絶縁層８１を介して配置されている。磁化自由層１２Ｃは、シリコンチャンネル７上に第２絶縁層８２を介して配置されている。図４に示すように、磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃは、それぞれＸ軸方向を長軸とし、Ｙ軸方向を短軸とした直方体形状を有している。Ｙ軸方向における幅が、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軸方向とＹ軸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。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。
【００２９】
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。
【００３０】
図２に示すように、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。
【００３１】
シリコンチャンネル７の側面には、酸化膜（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を覆っている。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ぐことができる。故に、良好なスピン伝導を保てる。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、第３絶縁層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、第３絶縁層７ｂが形成されている。第３絶縁層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。
【００３２】
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、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。第３絶縁層７ｂは、例えば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。
【００３３】
図１を再び参照すると、磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃに対して、それぞれ配線が電気的に接続されている。磁化固定層１２Ｂに電気的に接続されている配線は、第１配線部Ｗ１及び第２配線部Ｗ３を有する。磁化自由層１２Ｃに電気的に接続されている配線は、第１配線部Ｗ２及び第２配線部Ｗ４を有する。図３に示すように、磁化固定層１２Ｂに電気的に接続されている第１配線部Ｗ１は、シリコンチャンネル７上において、第２配線部Ｗ３と離間して設けられている。同様に、磁化自由層１２Ｃに電気的に接続されている第１配線部Ｗ２は、シリコンチャンネル７上において、第２配線部Ｗ４と離間して設けられている。
【００３４】
図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、磁化固定層１２Ｂに電気的に接続されている第１配線部Ｗ１は、磁化固定層１２Ｂと磁化自由層１２Ｃとを結ぶ方向（スピンの流れ方向）であるＹ軸方向に対して直交し、かつ、磁化固定層１２Ｂ（磁化層）と平行なＸ軸方向（第１方向）における磁化層の一端部Ｐと、磁化層とは離れた場所（電極パッドＥ１）とを電気的に接続している。また、磁化固定層１２Ｂに電気的に接続されている第２配線部Ｗ３は、磁化層の他端部Ｑと、磁化層とは離れた場所（電極パッドＥ１）とを電気的に接続している。ここで、磁化層と平行な方向（第１方向）とは、Ｚ軸方向に直交する方向である。
【００３５】
磁化自由層１２Ｃに電気的に接続されている第１配線部Ｗ２は、磁化固定層１２Ｂと磁化自由層１２Ｃとを結ぶ方向（スピンの流れ方向）であるＹ軸方向に対して直交し、かつ、磁化自由層１２Ｃ（磁化層）と平行なＸ軸方向（第１方向）における磁化層の一端部Ｒと、磁化層とは離れた場所（電極パッドＥ２１）とを電気的に接続している。また、磁化自由層１２Ｃに電気的に接続されている第２配線部Ｗ４は、磁化層の他端部Ｓと、磁化層とは離れた場所（電極パッドＥ２２）とを電気的に接続している。
【００３６】
図４（ａ）に示すように、第３配線部Ｗ５は、第１電極２０Ａに電気的に接続されている。また、第３配線部Ｗ６は、第２電極２０Ｄに電気的に接続されている。
【００３７】
図３に示すように、磁化固定層１２Ｂに電気的に接続されている第１配線部Ｗ１は、磁化固定層１２Ｂの一端部Ｐ上、第３絶縁層７ｂ（図２に示すシリコンチャンネル７の傾斜した側面）、及びシリコン酸化膜２上に亘って設けられている。また、磁化自由層１２Ｃに電気的に接続されている第１配線部Ｗ２は、磁化自由層１２Ｃの一端部Ｒ上、第３絶縁層７ｂ（シリコンチャンネル７の傾斜した側面）、及びシリコン酸化膜２上に亘って設けられている。また、磁化固定層１２Ｂに電気的に接続されている第２配線部Ｗ３は、磁化固定層１２Ｂの他端部Ｑ上、第３絶縁層７ｂ（シリコンチャンネル７の傾斜した側面）、及びシリコン酸化膜２上に亘って設けられている。また、磁化自由層１２Ｃに電気的に接続されている第４配線部Ｗ４は、磁化自由層１２Ｃの他端部Ｓ上、第３絶縁層７ｂ（シリコンチャンネル７の傾斜した側面）、及びシリコン酸化膜２上に亘って設けられている。また、図２に示すように、第３配線部Ｗ５は、第１電極２０Ａ、第３絶縁層７ｂ（シリコンチャンネル７の傾斜した側面）、及びシリコン酸化膜２上に亘って設けられている。また、第３配線部Ｗ６は、第２電極２０Ｄ、第３絶縁層７ｂ（シリコンチャンネル７の傾斜した側面）、及びシリコン酸化膜２上に亘って設けられている。
【００３８】
第１配線部Ｗ１，Ｗ２、第２配線部Ｗ３，Ｗ４、及び第３配線部Ｗ５，Ｗ６は、Ｃｕなどの導電性材料からなる。第１配線部Ｗ１，Ｗ２、第２配線部Ｗ３，Ｗ４、及び第３配線部Ｗ５，Ｗ６を第３絶縁層７ｂ上に設けることにより、第１配線部Ｗ１，Ｗ２、第２配線部Ｗ３，Ｗ４、及び第３配線部Ｗ５，Ｗ６によって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１配線部Ｗ１，Ｗ２、第２配線部Ｗ３，Ｗ４、及び第３配線部Ｗ５，Ｗ６からシリコンチャンネル７へ電流が流れることも抑制でき、スピン注入効率を向上することができる。
【００３９】
図１や図４（ａ）に示すように、磁化固定層１２Ｂに電気的に接続している第１配線部Ｗ１及び第２配線部Ｗ３の端部には、電極パッドＥ１が共通して設けられている。第１配線部Ｗ１は、電極パッドＥ１を介して第２配線部Ｗ３と電気的に接続している。磁化自由層１２Ｃに電気的に接続している第１配線部Ｗ２の端部には、電極パッドＥ２１が設けられている。磁化自由層１２Ｃに電気的に接続している第２配線部Ｗ４の端部には、電極パッドＥ２２が設けられている。第３配線部Ｗ５の端部には、電極パッドＥ３が設けられている。第３配線部Ｗ６の端部には、電極パッドＥ４が設けられている。第１配線部Ｗ１，Ｗ２、第２配線部Ｗ３，Ｗ４、及び第３配線部Ｗ５，Ｗ６の端部及び電極パッドＥ１，Ｅ２１，Ｅ２２，Ｅ３，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，Ｅ２１，Ｅ２２，Ｅ３，Ｅ４は、Ａｕなどの導電性材料からなる。
【００４０】
シリコンチャンネル７にスピンを注入するための電流源７０(第１電流源)は、第１配線部Ｗ１及び第２配線部Ｗ３に電気的に接続している。電流源７０は、第１配線部Ｗ１と第１電極２０Ａとの間、かつ第２配線部Ｗ３と第１電極２０Ａとの間に設けられている。より具体的には、電流源７０は、磁化固定層１２Ｂに電気的に接続された第１配線部Ｗ１及び第２配線部Ｗ３のそれぞれの端部に共通して設けられた電極パッドＥ１と、第１電極２０Ａに第３配線部Ｗ５を介して電気的に接続された電極パッドＥ３との間に設けられている。
【００４１】
図１に示すように、電圧出力を検出するための電圧測定器８０は、第１配線部Ｗ２と第２電極２０Ｄとの間、かつ第２配線部Ｗ４と第２電極２０Ｄとの間に設けられている。より具体的には、電圧測定器８０は、磁化自由層１２Ｃに電気的に接続された第１配線部Ｗ２の端部に設けられた電極パッドＥ２１と、第２電極２０Ｄに第３配線部Ｗ６を介して電気的に接続された電極パッドＥ４との間に設けられている。また、電圧測定器８０は、磁化自由層１２Ｃに電気的に接続された第２配線部Ｗ４の端部に設けられた電極パッドＥ２２と、第２電極２０Ｄに第３配線部Ｗ６を介して電気的に接続された電極パッドＥ４との間に設けられている。
【００４２】
以下、スピン伝導素子１００の動作を説明する。電流源７０によって、磁化固定層１２Ｂの一端部Ｐおよび他端部Ｑから検出用電流を同時に流す。強磁性体である磁化固定層１２Ｂから、第１絶縁層８１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軸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、例えば、電極パッドＥ２１及び電極パッドＥ２２と、電極パッドＥ４とに接続した電圧測定器８０により検出することができる。
【００４３】
以下、スピン伝導素子１００の効果を説明する。磁化固定層１２Ｂに電気的に接続される配線が、第１配線部Ｗ１及び第２配線部Ｗ３を有する。当該第１配線部Ｗ１及び第２配線部Ｗ３によって、磁化固定層１２Ｂと磁化自由層１２Ｃとを結ぶＹ軸方向に対して直交し、かつ、磁化固定層１２Ｂと平行な上記第１方向（Ｘ軸方向）における電位の分布が均一化されやすい。従って、当該第１配線部Ｗ１及び第２配線部Ｗ３から磁化固定層１２Ｂに対して電子が供給される際に、磁化固定層１２Ｂにおいて第１方向（Ｘ軸方向）における電位差の発生を抑制できる。故に、磁化固定層１２Ｂの直下のシリコンチャンネル７における第１方向（Ｘ軸方向）における電位差が抑制され、スピン伝導素子の寄生電圧を下げることができ、出力電圧のノイズを低減できる。また、Ｓ／Ｎ比が改善し、より高精度な磁場の検出などが可能となる。
【００４４】
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。第１実施形態に係るスピン伝導素子１００では、図３に示すように、磁化固定層１２Ｂに電気的に接続されている第１配線部Ｗ１が、シリコンチャンネル７上において、第２配線部Ｗ３と離間して設けられている例を示したが、本発明はこれに限定されない。図３に示すような磁化固定層１２Ｂに電気的に接続されている第１配線部Ｗ１が、図５に示すように磁化固定層１２Ｂ上において、第２配線部Ｗ３と連結していても良い。同様に、磁化自由層１２Ｃに電気的に接続されている第１配線部Ｗ２が、磁化自由層１２Ｃ上において、第２配線部Ｗ４と連結していても良い。
【００４５】
また、第１実施形態では、磁化固定層１２Ｂ側を電流入力用として機能させ、磁化自由層１２Ｃ側を電圧出力用として機能させる例を示したが、これとは逆に、磁化自由層１２Ｃ側を電流入力用として機能させ、磁化固定層１２Ｂ側を電圧出力用として機能させることもできる。この場合、電流源７０の配置場所と電圧測定器８０の配置場所とを交換すればよく、第１配線部Ｗ２と第２配線部Ｗ４によって、上記と同様の効果が得られる。
【００４６】
また、第１実施形態では、磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃに対して、それぞれ第１配線部及び第２配線部が電気的に接続されている例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、スピン伝導素子は、磁化固定層１２Ｂ又は磁化自由層１２Ｃのいずれか一方の磁化層に対して、第１配線部及び第２配線部が電気的に接続されていても良い。この際、スピン注入側の磁化層に、第１配線部及び第２配線部があれば良い。
【００４７】
また、磁化固定層１２Ｂまたは磁化自由層１２Ｃの第１方向の両端からスピン注入用電流を入れられれば、電流源の配置や数は、上記で示したものに限られない。例えば、電流源を２つ用意し、一方の電流源（第２電流源）を、第１配線部Ｗ１に電気的に接続し、他方の電流源（第３電流源）を、第２配線部Ｗ３に電気的に接続しても良い。すなわち、第２電流源を磁化固定層１２Ｂの一端部Ｐと第１電極２０Ａとの間に電気的に接続して、第３電流源を磁化固定層１２Ｂの他端部Ｑと第１電極２０Ａとの間に電気的に接続する構成としても良い。この場合、一端部Ｐ側の第２電流源と他端部Ｑ側の第３電流源をそれぞれ独立に制御でき、磁化層の両端部からシリコンチャンネル７へ注入される電流量をそれぞれ調整できる。故に、出力電圧のノイズをより効果的に減少させることができる。これによっても、磁化固定層１２Ｂの両端部から電流を注入できる。また、例えば、電流源を２つ用意し、一方の電流源（第２電流源）を、第３配線部Ｗ２に電気的に接続し、他方の電流源（第３電流源）を、第４配線部Ｗ４に電気的に接続しても良い。すなわち、第２電流源を磁化自由層１２Ｃの一端部Ｒと第２電極２０Ｄとの間に電気的に接続して、第３電流源を磁化自由層１２Ｃの他端部Ｓと第２電極２０Ｄとの間に電気的に接続する構成としても良い。この場合、一端部Ｒ側の第２電流源と他端部Ｑ側の第３電流源をそれぞれ独立に制御でき、磁化層の両端部からシリコンチャンネル７へ注入される電流量をそれぞれ調整できる。故に、出力電圧のノイズをより効果的に減少させることができる。
【００４８】
また、第１実施形態では、電圧出力を、電極パッドＥ２１及び電極パッドＥ２２と、電極パッドＥ４とに接続した電圧測定器８０により検出する例を示したが、電極パッドＥ２１と電極パッドＥ４のみに接続した電圧測定器により検出しても良い。あるいは、電圧出力を、電極パッドＥ２２と電極パッドＥ４のみに接続した電圧測定器により検出しても良い。なお、電圧出力を、電極パッドＥ２１及びＥ４に接続した電圧測定器８０により検出する場合、第４配線部Ｗ４と電極パッドＥ２２は設けられていなくても良い。また、電圧出力を、電極パッドＥ２２及びＥ４に接続した電圧測定器により検出する場合、第２配線部Ｗ３と電極パッドＥ２１は設けられていなくても良い。
【００４９】
また、第１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ることができる。また、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。
【００５０】
また、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。
【００５１】
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。
【００５２】
以下、実施例及び比較例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に限定されるものではない。
（実施例）
【００５３】
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。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。
【００５４】
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１００ｎｍ）、チタン膜（厚さ５ｎｍ）をこの順にＭＢＥ法により成膜した。なお、チタン膜は、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。その後、洗浄を行った。
【００５５】
次いで、フォトリソグラフィー法によって、ＳＯＩ基板上にアライメントマークを作成した。酸化マグネシウム膜、鉄膜、及びチタン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、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。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。
【００５６】
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。図４（ａ）に示したように、磁化固定層及び磁化自由層の形状は、それぞれＸ軸方向を長軸とし、Ｙ軸方向を短軸とする直方体形状とした。磁化固定層の短軸方向の幅は０．５μｍとし、磁化自由層の短軸方向の幅は２．５μｍとした。磁化固定層と磁化自由層との間隔は、０．５μｍとした。
【００５７】
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することにより、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。
【００５８】
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、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（第３絶縁層）を形成した。
【００５９】
次に、第１電極、磁化固定層、磁化自由層、及び第２電極上に配線部をそれぞれ形成した。この際、図５に示すように、磁化固定層１２Ｂの一端部Ｐ及び他端部Ｑから電気的に接続される配線部は、第１配線部Ｗ１と第２配線部Ｗ３とが磁化固定層１２Ｂ上で連結しているものとした。磁化自由層１２Ｃの一端部Ｒ及び他端部Ｓから電気的に接続される配線部は、第１配線部Ｗ２と第２配線部Ｗ４とが磁化自由層１２Ｃ上で連結しているものとした。
【００６０】
図６に示すように、第１電極２０Ａに電気的に接続される配線部として、第３配線部Ｗ５を形成した。第２電極２０Ｄに電気的に接続される配線部として、第３配線部Ｗ６を形成した。配線部にはＣｕ及びＡｕを用い、配線部の厚さは２０００Åとした。さらに、第１配線部Ｗ１の端部及び第２配線部Ｗ３の端部に電極パッドＥ１を形成した。第１配線部Ｗ２の端部に電極パッドＥ２１を形成した。第２配線部Ｗ４の端部に電極パッドＥ２２を形成した。第３配線部Ｗ５の端部に電極パッドＥ３を形成した。第３配線部Ｗ６の端部に電極パッドＥ４を形成した。
【００６１】
そして、電極パッドＥ１と電極パッドＥ３との間に、電流源７０を配置した。また、電極パッドＥ２１及び電極パッドＥ２２と、電極パッドＥ４との間に、電圧測定器８０を配置した。こうして、実施例のスピン伝導素子を作成した。
（比較例）
【００６２】
比較例では、図７に示すように、磁化固定層１２Ｂ側において、第１配線部Ｗ１のみを有する以外は、実施例と同様の方法により、スピン伝導素子を作成した。なお、第１配線部Ｗ１は、磁化固定層１２Ｂ上でＸ軸方向における一端部から他端部まで延びている。
＜出力電圧の評価＞
【００６３】
実施例及び比較例で作製したスピン伝導素子に対して、電極パッドＥ１と、電極パッドＥ３との間に、１Ｖの電圧を印加した。そして、磁化自由層１２Ｃへ外部磁場をＸ軸方向に印加した。ロックインアンプにより、電極パッドＥ２１と電極パッドＥ４との間の第１寄生電圧、及び電極パッドＥ２２と電極パッドＥ４との間の第２寄生電圧を読み取った。第１寄生電圧と第２寄生電圧の平均値（以下、単に寄生電圧という）を求めた。その結果を図８に示す。ここで、寄生電圧とは、電圧出力のバッググラウンドのノイズレベルをいう。
【００６４】
図８は、印加磁場の強さ（Ｏｅ）と寄生電圧（μＶ）との関係を示すグラフである。図８（ａ）は、比較例のスピン伝導素子に関し、図８（ｂ）は、実施例のスピン伝導素子に関する。図８中、Ｇ１，Ｇ３は、印加磁場を負の値から正の値まで増加させた場合、Ｇ２，Ｇ４は、印加磁場を正の値から負の値まで減少させた場合を示す。
【００６５】
図８（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、寄生電圧が、約４２０μＶであった。対して、図８（ｂ）のＧ３及びＧ４に示されるように、実施例のスピン伝導素子では、寄生電圧が、約３４μＶであった。つまり、実施例のスピン伝導素子の電圧出力のノイズの方が、比較例のスピン伝導素子の電圧出力のノイズよりも低かった。
【符号の説明】
【００６６】
１００…スピン伝導素子、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（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、Ｗ１，Ｗ２…第１配線部、Ｗ３，Ｗ４…第２配線部、Ｗ５，Ｗ６…第３配線部、２０Ａ…第１電極、２０Ｄ…第２電極、Ｅ１,Ｅ２１,Ｅ２２,Ｅ３,Ｅ４…電極パッド、７０…電流源(第１電流源)、８０…電圧測定器。
【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７】
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【図８】
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【図６】
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