(57)【要約】【課題】  無機材料だけでは作製条件等の設定が非常に困難であるナノメートル前後の超薄膜に関して、容易で、且つピンホールの発生を防止する構成を実現する電子スピン利用素子を提供する。【解決手段】  この電子スピン利用素子１０は、アップスピン電子又はダウンスピン電子の何れかを選択的に流す電子スピンフィルタ部１と、スピン作用によりトンネル電流を生起する電子スピン作用部９と、アップスピン電子又はダウンスピン電子の何れかを選択的に検知する電子スピン検知部５と、これらを搭載する基板６と、を備えて構成される。尚、本実施形態では電子スピン作用部９は無機超薄膜８と有機超薄膜７との間に界面３を備えて構成される。そして界面３を介して発生する空間電荷を１０8ｃ／ｍ3以下に設定したことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アップスピン電子又はダウンスピン電子の何れかを選択的に流す電子スピンフィルタ部と前記アップスピン電子又はダウンスピン電子の何れかを選択的に検知する電子スピン検知部とをスピン作用によりトンネル電流を生起する電子スピン作用部を介して対向させ、前記電子スピンフィルタ部と前記電子スピン検知部との間の磁化方向の関係によって前記電子スピン作用部を介して流れるトンネル電流が変化する磁性スピントンネル効果を用いた電子スピン利用素子において、
前記電子スピン作用部を有機部材と無機部材により構成し、且つ該有機部材と無機部材との間に界面を設け、該界面を介して発生する空間電荷を１０8ｃ／ｍ3以下に設定したことを特徴とする電子スピン利用素子。
【請求項２】
前記電子スピン作用部を２層の有機部材により構成し、且つ該２層の有機部材との間に界面を設け、該界面を介して発生する空間電荷を１０8ｃ／ｍ3以下に設定したことを特徴とする請求項１に記載の電子スピン利用素子。
【請求項３】
前記電子スピン作用部を有機部材と無機部材により構成し、且つ該有機部材と無機部材の界面が前記電子スピンフィルタ部と前記電子スピン検知部の膜面に対して略垂直になるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の電子スピン利用素子。
【請求項４】
前記電子スピンフィルタ部と前記電子スピン作用部との間に、前記アップスピン電子及びダウンスピン電子の差を維持したまま電流を伝導する電子スピン伝導部を更に備えたことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の電子スピン利用素子。
【請求項５】
前記電子スピンフィルタ部の全部または一部に前記有機部材を用いたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の電子スピン利用素子。
【請求項６】
前記電子スピン検知部の全部または一部に前記有機部材を用いたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の電子スピン利用素子。
【請求項７】
前記電子スピン作用部の全部または一部に前記有機部材を用いたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の電子スピン利用素子。
【請求項８】
前記電子スピン伝導部の全部または一部に前記有機部材を用いたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の電子スピン利用素子。
【請求項９】
前記有機部材と無機部材を前記電子スピンフィルタ部、前記電子スピン検知部、前記電子スピン作用部及び前記電子スピン伝導部の各部材内に配置することにより、光、電界、熱、素子に与えた圧力、磁界及び表面電化の物理量に対して感度を持たせることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の電子スピン利用素子。
【請求項１０】
基板上に前記電子スピン検知部として磁性金属膜を成膜する第１の工程と、前記有機部材と無機部材からなる電子スピン作用部として成膜するために、前記電子スピン検知部の磁性金属膜と同様の手法で無機材料部を成膜する第２の工程と、該第２の工程による無機材料部の成膜後にディップ法により有機膜を成膜する第３の工程と、前記電子スピンフィルタ部として磁性金属膜を成膜する第４の工程と、保護層を成膜する第５の工程と、を備えたことを特徴とする電子スピン利用素子の製造方法。
【請求項１１】
前記有機部材が単分子層又は当該単分子層の積層したものより構成されることを特徴とする請求項１０に記載の電子スピン利用素子の製造方法。
【請求項１２】
前記有機部材はディップ法による単分子層又は当該単分子層の積層したものより構成されることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の電子スピン利用素子の製造方法。
【請求項１３】
前記有機部材が水酸基置換法による真空中での生成法による単分子層または当該単分子層の積層したものより構成されることを特徴とする請求項１０、１１又は１２に記載の電子スピン利用素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子スピン利用素子及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、電子スピン利用素子の性能を向上させる技術と製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から２つの強磁性体を極めて薄い絶縁体で挟んだ構造の強磁性スピントンネル効果素子が知られている。その素子は、Ａｌ2Ｏ3等の絶縁体を介してＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の２つの強磁性体間に流れるトンネル電流の大きさが、２つの強磁性体の磁化の向きに依存して変化するというものである。即ち、２つの強磁性体の磁化の向きが同一向きの場合には比較的大きな電流が流れ、磁化の方向は平行であるが向きが反対である場合には比較的小さな電流が流れる。このことは、２つの強磁性体間の抵抗値が２つの強磁性体間の磁化の向きに応じて変化するとも言える。また強磁性体の磁化の向きと電子の角運動量の向きが平行になる電子はアップスピン、強磁性体の磁化の向きと電子の角運動量の向きが反平行になる電子はダウンスピンと定義される。
尚、従来技術として特許文献１には、無機層を積層した後に２部材に加工して、その微細加工の溝部分に配置するような構成について開示されている。
また特許文献２には、多層カーボンナノチューブを構成要素とする電子素子および電子源において、多層カーボンナノチューブの同軸入れ子状または渦巻き状に配置されている個々の円筒状グラフェンシートのうちその多数の円筒状グラフェンシートに電気的に接続されるように電極を構成する技術について開示されている。
また特許文献３には、第１強磁性薄膜と第２強磁性薄膜とを絶縁層を介して対向させ、第２強磁性薄膜の上に強磁性絶縁層を介して希薄磁性半導体層を形成した。この希薄磁性半導体層へ注入される電子のスピンの方向を制御することで、第２強磁性薄膜だけを意図した方向に磁化させることができる技術について開示されている。
また特許文献４には、第１強磁性体と第２強磁性体とを絶縁層を介して対向させ、第１強磁性体と第２強磁性体との間の磁化方向の関係によって絶縁層を介して流れるトンネル電流が変化する強磁性スピントンネル効果素子において、絶縁層を低分子量の有機分子材料とした技術について開示されている。
また特許文献５には、２つの磁性体層の間に、自己組織化膜からなる有機分子層が形成された構造を有する磁気抵抗効果素子について開示されている。
【特許文献１】特表２００５−５０１４０４公報
【特許文献２】特願２００２−５６３５３８公報
【特許文献３】特開平１０−２０６５１３号公報
【特許文献４】特開平１０−２０９５２５号公報
【特許文献５】特許第３５９８９０３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に開示されている従来技術は、２部材に加工して、その微細加工の溝部分に有機層を配置しなければならないため、加工精度から２部材間は数ｎｍ程度離れるので、いかに優れた特性の高分子材料を実現できたとしても、電子の伝導に伴ってスピン偏極を維持することは困難である。
また、特許文献２に開示されている従来技術は、ＣＮＴのスピン拡散長が特に優れているとの報告はなく、ＣＮＴは実装も含めると使い難く並列化は特に困難である。
また、特許文献３に開示されている従来技術は、特に安定なスピン編極部を実現するには、通常永久磁石薄膜や、スピンバルブ構成の方が現在の技術で実用化されていて、特に半導体層を用いる必要はない。
また、特許文献４に開示されている従来技術は、単に有機フィルムで無機材質に変えることでは実際は安定なトンネル層とはなりにくい。
また、特許文献５に開示されている従来技術は、特にトンネル層を有機薄膜としたことで均一性が増加したわけではなく、安定性に問題が残る。また有機薄膜上に無機材質を製作する場合、製法が限定される。またフォトリソ工程がとりにくいので、他の素子との製作上の差が大きい。また素子間ばらつきを抑える方法が考えにくいといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑み、無機材料だけでは作製条件等の設定が非常に困難であるナノメートル前後の超薄膜に関して、容易で、且つピンホールの発生を防止する構成を実現する電子スピン利用素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、アップスピン電子又はダウンスピン電子の何れかを選択的に流す電子スピンフィルタ部と前記アップスピン電子又はダウンスピン電子の何れかを選択的に検知する電子スピン検知部とをスピン作用によりトンネル電流を生起する電子スピン作用部を介して対向させ、前記電子スピンフィルタ部と前記電子スピン検知部との間の磁化方向の関係によって前記電子スピン作用部を介して流れるトンネル電流が変化する磁性スピントンネル効果を用いた電子スピン利用素子において、前記電子スピン作用部を有機部材と無機部材により構成し、且つ該有機部材と無機部材との間に界面を設け、該界面を介して発生する空間電荷を１０8ｃ／ｍ3以下に設定したことを特徴とする。
電子スピン利用素子は金属層／絶縁層／金属層の構成が多いのであるが、絶縁層（電子スピン作用部）は１ｎｍ前後の無機薄膜で構成される場合が多く、無機絶縁層においては、ピンホールの発生が多くみられる場合がある。そこで本発明では、有機材料と無機材料の界面に、電子の移動を容易にして、抵抗値を下げるようにするために、有機部材において空間電荷を有効に活用させることがピンホールの発生を防ぐ上で有効である。そのために、界面を介して発生する空間電荷を１０8ｃ／ｍ3以下に設定するものである。
請求項２は、前記電子スピン作用部を２層の有機部材により構成し、且つ該２層の有機部材との間に界面を設け、該界面を介して発生する空間電荷を１０8ｃ／ｍ3以下に設定したことを特徴とする。
請求項１では電子スピン作用部を有機部材と無機部材により構成したが、有機部材を２層に分割する構成も可能である。
【０００５】
請求項３は、前記電子スピン作用部を有機部材と無機部材により構成し、且つ該有機部材と無機部材の界面が前記電子スピンフィルタ部と前記電子スピン検知部の膜面に対して略垂直になるように構成したことを特徴とする。
従来例では有機薄膜は困難である点や作り易さの点から、膜面に対して平行に電流を流す例が多かった。これに対して、本発明では有機薄膜を無機薄膜と積層したり、有機層と無機層が膜面に関して、分かれて分布するような構成も可能である。すなわち、膜面に垂直方向に電流が流れる際に抵抗値が異なる領域を膜面に対して垂直方向に設定できて、所望の抵抗を容易に設定できる。また、縦方向に抵抗値の差がある構造が簡単に実現できる。
請求項４は、前記電子スピンフィルタ部と前記電子スピン作用部との間に、前記アップスピン電子及びダウンスピン電子の差を維持したまま電流を伝導する電子スピン伝導部を更に備えたことを特徴とする。
電子スピン作用部の膜厚は非常に薄く、またその特性を維持するのが難しい部分である。そこで電子スピン作用部に直接電子スピンフィルタ部を形成するよりも、その間に電子スピン伝導部を介して製造する方が製造し易い。
請求項５は、前記電子スピンフィルタ部の全部または一部に前記有機部材を用いたことを特徴とする。
電子スピン利用素子としては、無機部材（磁性体金属、非磁性金属、半導体、ＤＭＳ、誘電体、絶縁体など）や有機磁性分子、有機分子等を併用することで、部材の構造の特性を変化させるが可能となる。そのバンド構造を例えば、磁界によって変化する作用を利用して、電流を担う電子に関して、アップスピンをもったものとダウンスピンをもったものに関して、フィルタ効果をもたせて、どちらかの電子を流れ易くすることができる。これを電子スピンフィルタ部として用いる。
【０００６】
請求項６は、前記電子スピン検知部の全部または一部に前記有機部材を用いたことを特徴とする。
同様に電子スピン検知部として、磁性体や有機分子の構造からバンド構造が磁界によって変化する作用を利用して、アップスピンをもった電子とダウンスピンをもった電子に関して、どちらかの電子を流れ易くすることで、検知可能とすることができる。
請求項７は、前記電子スピン作用部の全部または一部に前記有機部材を用いたことを特徴とする。
電子スピン作用部は、特に、伝導電子に関してスピンの差が大きく、特性が異なる部材とすることで作用部とすることができる。これに関しても、有機材料と無機材料をハイブリッド化することで、性能を向上させることが可能である。
請求項８は、前記電子スピン伝導部の全部または一部に前記有機部材を用いたことを特徴とする。
電子スピン伝導部は、アップスピン電子とダウンスピン電子の差を持ったまま、電流を維持できる部材とすることで実現できる。
請求項９は、前記有機部材と無機部材を前記電子スピンフィルタ部、前記電子スピン検知部、前記電子スピン作用部及び前記電子スピン伝導部の各部材内に配置することにより、光、電界、熱、素子に与えた圧力、磁界及び表面電化の物理量に対して感度を持たせることを特徴とする。
電子スピン利用素子のうち、電子スピンフィルタ部、電子スピン検知部、電子スピン作用部及び電子スピン伝導部において、有機部材と無機部材を各部材内に配置することで、有機部材と無機部材へ、光や電界、熱、素子に与えた圧力、磁界、表面電荷によって、電子スピンとの相互作用が変化して、それぞれの物理量に対しての感度を持たせることが可能となる。
【０００７】
請求項１０は、基板上に前記電子スピン検知部として磁性金属膜を成膜する第１の工程と、前記有機部材と無機部材からなる電子スピン作用部として成膜するために、前記電子スピン検知部の磁性金属膜と同様の手法で無機材料部を成膜する第２の工程と、該第２の工程による無機材料部の成膜後にディップ法により有機膜を成膜する第３の工程と、前記電子スピンフィルタ部として磁性金属膜を成膜する第４の工程と、保護層を成膜する第５の工程と、を備えたことを特徴とする。
本発明の電子スピン利用素子の製作方法は、トンネル型素子の例で示すと、基板に電子スピン検知部として磁性金属膜を成膜する。その後、有機分子材料と無機材料からなるスピン作用部として成膜する。その後、電子スピンフィルタ部として金属磁性膜を成膜し、さらに保護層を成膜する。保護層としてはポリイミドなどの有機材やＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4などの無機材料が適し必要に応じて選択される。
請求項１１は、前記有機部材が単分子層又は当該単分子層の積層したものより構成されることを特徴とする。
単分子材料はチオール等が適当である。これを純水中やエタノール、アセトン、それらの混合物に分散して、その後に乾燥させた上でＵＶ露光等で、表面性を変化させる。
請求項１２は、前記有機部材はディップ法による単分子層又は当該単分子層の積層したものより構成されることを特徴とする。
ディップ法による単分子層またはその積層したものよりなることで作製可能である。
請求項１３は、前記有機部材が水酸基置換法による真空中での生成法による単分子層または当該単分子層の積層したものより構成されることを特徴とする。
ディップ法の替わりに有機部材を水酸基置換法による真空中での生成法による単分子層または積層したものよりなることでも作製可能である。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１の発明によれば、有機材料と無機材料の界面に、電子の移動を容易にして、抵抗値を下げるようにするために、界面を介して発生する空間電荷を１０8ｃ／ｍ3以下に設定するので、有機部材において空間電荷を有効に活用させることでピンホールの発生を防ぐことができる。
また請求項２では、電子スピン作用部を２層の有機部材により構成し、且つ２層の有機部材との間に界面を設け、この界面を介して発生する空間電荷を１０8ｃ／ｍ3以下に設定したので、有機部材において空間電荷を有効に活用させることでピンホールの発生を防ぐことができる。
また請求項３では、有機部材と無機部材の界面が電子スピンフィルタ部と電子スピン検知部の膜面に対して略垂直になるように構成したので、膜面に垂直方向に電流が流れる際に抵抗値が異なる領域を膜面に対して垂直方向に設定できて、所望の抵抗を容易に設定することができる。
また請求項４では、電子スピンフィルタ部と電子スピン作用部との間に、電子スピン伝導部を更に備えたので、アップスピン電子及びダウンスピン電子の差を維持したまま電流を伝導することができる。
また請求項５では、電子スピンフィルタ部の全部または一部に有機部材を用いたので、無機部材や有機磁性分子、有機分子等を併用することで、部材の構造の特性を変化させるが可能となり、電流を担う電子に関して、アップスピンをもったものとダウンスピンをもったものに関して、フィルタ効果をもたせて、どちらかの電子を流れ易くすることができる。
また請求項６では、電子スピン検知部の全部または一部に有機部材を用いたので、磁性体や有機分子の構造からバンド構造が磁界によって変化する作用を利用して、アップスピンをもった電子とダウンスピンをもった電子に関して、どちらかの電子を流れ易くすることで、検知可能とすることができる。
また請求項７では、電子スピン作用部の全部または一部に有機部材を用いたので、有機材料と無機材料をハイブリッド化することで、性能を向上させることが可能である。
また請求項８では、電子スピン伝導部の全部または一部に有機部材を用いたので、アップスピン電子とダウンスピン電子の差を持ったまま、電流を維持することができる。
また請求項９では、電子スピンフィルタ部、電子スピン検知部、電子スピン作用部及び電子スピン伝導部において、有機部材と無機部材を各部材内に配置するので、それぞれの物理量に対しての感度を持たせることができる。
【０００９】
また請求項１０では、電子スピン利用素子の製造方法が、基板上に電子スピン検知部として磁性金属膜を成膜する第１の工程と、有機部材と無機部材からなる電子スピン作用部として成膜するために、電子スピン検知部の磁性金属膜と同様の手法で無機材料部を成膜する第２の工程と、第２の工程による無機材料部の成膜後にディップ法により有機膜を成膜する第３の工程と、電子スピンフィルタ部として磁性金属膜を成膜する第４の工程と、保護層を成膜する第５の工程により行なわれるので、クリーンな環境下で行うことにより、より欠陥等が少ない構成とすることができる。
また請求項１１では、有機部材が単分子層又は当該単分子層の積層したものより構成されるので、超薄膜を精度良く製造することができる。
また請求項１２では、有機部材はディップ法による単分子層又は当該単分子層の積層したものより構成されるので、超薄膜を精度良く且つ容易に製造することができる。
また請求項１３では、有機部材が水酸基置換法による真空中での生成法による単分子層または当該単分子層の積層したものより構成されるので、クリーンな環境下で製造するため、より欠陥が少ない構成とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る電子スピン利用素子の断面構成図である。この電子スピン利用素子１０は、アップスピン電子又はダウンスピン電子の何れかを選択的に流す電子スピンフィルタ部１と、スピン作用によりトンネル電流を生起する電子スピン作用部９と、アップスピン電子又はダウンスピン電子の何れかを選択的に検知する電子スピン検知部５と、これらを搭載する基板６と、を備えて構成される。尚、本実施形態では電子スピン作用部９は有機超薄膜Ａ４と有機超薄膜Ｂ２との間に界面３を備えて構成される。そして界面３を介して発生する空間電荷を１０8ｃ／ｍ3以下に設定したことを特徴とする（詳細は後述する）。
図１（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る電子スピン利用素子の断面構成図である。同じ構成要素には同じ参照番号を付して説明する。この電子スピン利用素子１０は、アップスピン電子又はダウンスピン電子の何れかを選択的に流す電子スピンフィルタ部１と、スピン作用によりトンネル電流を生起する電子スピン作用部９と、アップスピン電子又はダウンスピン電子の何れかを選択的に検知する電子スピン検知部５と、これらを搭載する基板６と、を備えて構成される。尚、本実施形態では電子スピン作用部９は無機超薄膜８と有機超薄膜７との間に界面３を備えて構成される。そして界面３を介して発生する空間電荷を１０8ｃ／ｍ3以下に設定したことを特徴とする（詳細は後述する）。
電子スピン利用素子は従来から金属層／絶縁層／金属層の構成が多いが、絶縁層は１ｎｍ前後の無機薄膜で構成される場合が多く、無機絶縁層においては、ピンホールの発生が多くみられる場合がある。また、有機薄膜についても、製造法によっては、島状構造をとる場合が多い膜厚である。本発明は、トンネル層に限らず、通常、無機材質でのみ構成されている薄膜型電子スピン利用デバイス（ＧＭＲヘッド、ＴＭＲヘッド、ＭＲＡＭ、センサー、光半導体素子など）において、有機分子膜を併用することで性能向上をめざしたものである。その際に有機分子膜に関しては終端処理を行ったりして、結合しやすくすることで、より強固な特性とすることも場合によって必要であるが、通常は、結合がし難いような構成でも十分機能することが可能となる。
用途としては、不揮発メモリ分野やセンサ一体型演算用ＬＳＩの機能ブロックや、ＩＣタグ等に用いることが可能な表示部一体型機能センサーがある。本実形態ではトンネル型の例で示したが、他の電子スピン利用素子においても電子スピンの緩和時間を延ばす機能を持たせる等の特徴がえられるため、有効な特性が得られる。
その際に、有機部材と無機部材の界面に、電子の移動を容易にして、抵抗値を下げるようにするために、有機部材において空間電荷を有効に活用させることが有効である。これは界面を介して有機部材側へ、いわゆる過剰電荷による空間準位を設けたことに相当する。そこで本実施形態では、製作の際の条件を変えて空間電荷量を変化させて作製したサンプルと抵抗値を検討した。抵抗値は大きな値となりがちであるため同一面積での試作を行い、標準的なサンプルに対しての比としての量で比較して良否検討を行った。
【００１１】
図２は製作の際の条件を変えて空間電荷量を変化させて作製したサンプルと抵抗値の関係を示す図である。例えば、サンプル１では空間電荷量が最も大きく１０8ｃ／ｍ3であり、そのときの抵抗値（相対値）が０．０１となり、良否判定は○であるが、測定時に壊れる割合がまれにある。またサンプル２、３、４では良否判定は略満足するものである。またサンプル５、６、７は抵抗値は大きくなり、良否判定は一応○であるが、目的によってはΔとなる。この結果から、１０8ｃ／ｍ3以下で十分な機能を満たすことが分かった。即ち金属部材によらず、成膜条件を設定することで実現できることが分かった。尚、下限値については特に制限は無く、一般的な文献１によると、ほぼ、１０6ｃ／ｍ3以下は実現できることから、１０6ｃ／ｍ3以下としての条件設定をおこなった（文献１：J.Appl.Phys.75(3),1 Feb. 1994 P1604 Iwamoto et al）。これにより空間準位が存在することで、低抵抗で且つ高いスピントンネル現象を発現させることが容易となり、高感度な素子構成が実現可能となる。
図３は本発明の第３の実施形態に係る電子スピン利用素子の例を示す図である。同じ構成要素には同じ参照番号を付して説明する。この電子スピン利用素子１０は前述した電子スピンフィルタ部１と、電子スピン作用部９と、電子スピン検知部５と、を備えて導電性基板６上に構成され、電子スピンフィルタ部１と導電性基板６の間に電源１３を接続線１１と１２により接続し、その両端を出力側に接続することにより、トンネル電流の変化を検出することができる。
【００１２】
図４は本発明の第４の実施形態に係る電子スピン利用素子の例を示す図である。同じ構成要素には同じ参照番号を付して説明する。この電子スピン利用素子１０は前述した電子スピンフィルタ部１と、電子スピンフィルタ部１と電子スピン作用部９との間に、アップスピン電子及びダウンスピン電子の差を維持したまま電流を伝導する電子スピン伝導部１４と、電子スピン検知部５と、を備えて導電性基板６上に構成される。
そして電子スピン作用部９を有機部材９ａと無機部材９ｂにより構成し、且つ有機部材９あと無機部材９ｂの界面９ｃが電子スピンフィルタ部１と電子スピン検知部５の膜面１ａ、５ａに対して略垂直になるように構成したことを特徴とする。即ち、膜面１ａ、５ａに垂直方向に電流が流れる際に抵抗値が異なる領域を膜面１ａ、５ａに対して垂直方向に設定できて、所望の抵抗を容易に設定できる。また、縦方向に抵抗値の差がある構造が簡単に実現できる。また膜面１ａ、５ａに垂直に電流を流す構成であるので、比較的素子面積を小さくすることができる。尚、本実施例ではトンネル型の事例で示しているが、縦型の電子の流れを作ることが必要な場合には、電流のパスを調整する必要がある。特に、ＣＰＰ型ＧＭＲ素子の場合には重要となる。無機層と有機分子層とでは導電率が大きく異なり、また、トンネル伝導の際の障壁高さも異なる構成を採りうる。このため、電流のパスを膜面に垂直方向に設定するのは容易に設定できる。
また電子スピン利用素子としては、無機部材（磁性体金属、非磁性金属、半導体、ＤＭＳ、誘電体、絶縁体など）や有機磁性分子、有機分子等を併用することで、部材の構造の特性を変化させるが可能となる。そのバンド構造を例えば、磁界によって変化する作用を利用して、電流を担う電子に関して、アップスピンをもったものとダウンスピンをもったものに関して、フィルタ効果をもたせて、どちらかの電子を流れ易くすることができる。これを電子スピンフィルタ部１として用いる。その際に、無機以外に有機部材も用いることで、材料の選択が広がり必要とされる性能を満足させることができる。すなわち、より優れたフィルタとして、機能させることが可能となる。
同様に電子スピン検知部５として、磁性体や有機分子の構造から、バンド構造が磁界によって変化する作用を利用して、アップスピンをもった電子とダウンスピンをもった電子に関して、どちらかの電子を流れ易くすることで検知可能とすることができる。
電子スピン作用部９は、特に伝導電子に関してスピンの差が大きく、特性が異なる部材とすることで作用部とすることができる。これに関しても、有機材料と無機材料をハイブリッド化することで、性能を向上させることが可能である。
電子スピン伝導部１４はアップスピン電子とダウンスピン電子の差をもったまま、電流を維持できる部材とすることで実現できる。
このように有機分子材料と無機材料各層を併用することで電子スピンに対する機能を十分発揮できる。以上述べた以外にも性能向上の点としては、スピンの緩和時間を伸ばすことができる。このため、各層、各部材との相互作用をより強めることで、十分な機能を実現できる。
【００１３】
図５は本発明の第５の実施形態に係る電子スピン利用素子の例を示す図である。同じ構成要素には同じ参照番号を付して説明する。この電子スピン利用素子１０は前述した電子スピンフィルタ部１と、電子スピン作用部９と、電子スピン検知部５と電子スピン作用部９との間に、アップスピン電子及びダウンスピン電子の差を維持したまま電流を伝導する電子スピン伝導部１４と、電子スピン検知部５と、を備えて構成される。
電子スピン利用素子のうち、本実施形態における電子スピンフィルタ部１、電子スピン検知部５、電子スピン作用部９及び電子スピン伝導部１４において、有機分子と無機材料を各部材内に配置することで、有機分子と無機材料へ、光や電界、熱、素子に与えた圧力、磁界、表面電荷によって、電子スピンとの相互作用が変化して、それぞれの物理量に対しての感度を持たせることが可能となる。主として、磁界や素子に与えた圧力は主として、電子スピンフィルタ部１、電子スピン検知部５へ作用し、光、電界、表面電荷は主として電子スピン作用部９へ作用する。また熱については電子スピン伝導部１４も含めた全ての各機能部へ作用する。
【００１４】
図６は本発明の電子スピン利用素子の製造工程の一例を示す図である。この製造工程では、トンネル型素子の事例で説明する。まず基板に電子スピン検知部５として、磁性金属膜を成膜する（工程１）。これはスパッタ法や真空蒸着法などの真空成膜やメッキ法等でできる。その後、有機分子材料と無機材料からなる電子スピン作用部９として成膜するために、まず、電子スピン検知部の磁性金属膜と同様の手法で無機材料部を成膜する（工程２）。無機材料は、絶縁体、誘電体、半導体等であって、酸化物の場合もある。その後、これらの無機膜を成膜後に、図７に示すようなディップ法で有機膜を成膜する（工程３）。図７において、単分子層ないし超薄膜高分子膜を製作する。尚、本単分子材料はチオール等が適当である。これを純水中やエタノール、アセトン、それらの混合物である溶液２１に分散して、その後、乾燥させて上でＵＶ露光等で表面性を変化させる。またディップ法の代わりに有機部材を水酸基置換法による真空中での生成法による単分子層またはその積層したものよりなることでも作製可能である。また導電性有機分子のコーティングも可能である。以上は、クリーンな環境下で行うことで、より欠陥等が少ない構成とすることができる。その後、無機層を成膜する。次に電子スピンフィルタ部１として磁性金属膜を成膜する（工程４）。さらに保護層を成膜する（工程５）。保護層としてはポリイミドなどの有機材やＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4などの無機材料が適する。必要に応じて選択される。
尚、図示は省略するが、以上で作製したデバイスをセンサーとして用いたものと演算素子等、駆動素子とし用いたものが連動するように構成することができる。センサーは既存のものを用いてもよいし、演算素子、駆動素子も同様である。本発明により素子をセンサーとして用いた場合には、光や電界、熱、素子に与えた圧力、磁界、表面電荷の検知を高感度で実現できる。また演算素子、駆動素子として用いた場合も性能を向上させることが可能となる。なお、画像装置を同時に搭載した場合には、その場で検知等のデータを確認できるなどのメリットを有する。
更に本素子は、対環境性に優れていて、印刷可能な部分を持たせてタグのような薄膜型メモリとして用いることができる。また本素子は低消費電力あり、不揮発論理素子としても使用できるので、電流を投入してすぐ作動可能であって、高速性と、低消費電力を長期間求められる分野に適している。
また本素子は光センサーとして使い方も可能であり、演算素子や駆動素子としても使える。この特徴を生かすために透明部材を設けて構成する。また、他の発光、受光素子と併用することで、薄膜型ディスプレイとしても用いることが可能であり、低消費電力であるので、１次、２次電池を接続した際にも優れた長期間使用性能を維持できる。また太陽電池パネルや、ＭＥＭＳ型発電装置、熱電素子との接続も可能であって、同様に長時間使用を満足できる。
【００１５】
以上の通り本発明によれば、有機部材と無機部材の界面に、電子の移動を容易にして抵抗値を下げるようにするために、界面を介して発生する空間電荷を１０8ｃ／ｍ3以下に設定するので、有機部材において空間電荷を有効に活用させることでピンホールの発生を防ぐことができる。
また、電子スピン作用部９を２層の有機部材により構成し、且つ２層の有機部材との間に界面３を設け、この界面３を介して発生する空間電荷を１０8ｃ／ｍ3以下に設定したので、有機部材において空間電荷を有効に活用させることでピンホールの発生を防ぐことができる。
また、有機部材と無機部材の界面９ｃが電子スピンフィルタ部１と電子スピン検知部５の膜面１ａ、５ａに対して略垂直になるように構成したので、膜面１ａ、５ａに垂直方向に電流が流れる際に抵抗値が異なる領域を膜面１ａ、５ａに対して垂直方向に設定できて、所望の抵抗を容易に設定することができる。
また、電子スピンフィルタ部１と電子スピン作用部９との間に、電子スピン伝導部１４を更に備えたので、アップスピン電子及びダウンスピン電子の差を維持したまま電流を伝導することができる。
【００１６】
また、電子スピンフィルタ部１の全部または一部に有機部材を用いたので、無機部材や有機磁性分子、有機分子等を併用することで、部材の構造の特性を変化させるが可能となり、電流を担う電子に関して、アップスピンをもったものとダウンスピンをもったものに関して、フィルタ効果をもたせて、どちらかの電子を流れ易くすることができる。
また、電子スピン検知部５の全部または一部に有機部材を用いたので、磁性体や有機分子の構造からバンド構造が磁界によって変化する作用を利用して、アップスピンをもった電子とダウンスピンをもった電子に関して、どちらかの電子を流れ易くすることで、検知可能とすることができる。
また、電子スピン作用部９の全部または一部に有機部材を用いたので、有機材料と無機材料をハイブリッド化することで、性能を向上させることが可能である。
また、電子スピン伝導部１４の全部または一部に有機部材を用いたので、アップスピン電子とダウンスピン電子の差を持ったまま、電流を維持することができる。
また、電子スピンフィルタ部１、電子スピン検知部５、電子スピン作用部９及び電子スピン伝導部１４において、有機部材と無機部材を各部材内に配置するので、それぞれの物理量に対しての感度を持たせることができる。
また、電子スピン利用素子の製造方法が、基板上に電子スピン検知部５として磁性金属膜を成膜する第１の工程と、有機部材と無機部材からなる電子スピン作用部９として成膜するために、電子スピン検知部５の磁性金属膜と同様の手法で無機材料部を成膜する第２の工程と、第２の工程による無機材料部の成膜後にディップ法により有機膜を成膜する第３の工程と、電子スピンフィルタ部１として磁性金属膜を成膜する第４の工程と、保護層を成膜する第５の工程により行なわれるので、クリーンな環境下で行うことにより、より欠陥等が少ない構成とすることができる。
また、有機部材が単分子層又は当該単分子層の積層したものより構成されるので、超薄膜を精度良く製造することができる。
また、有機部材はディップ法による単分子層又は当該単分子層の積層したものより構成されるので、超薄膜を精度良く且つ容易に製造することができる。
また、有機部材が水酸基置換法による真空中での生成法による単分子層または当該単分子層の積層したものより構成されるので、クリーンな環境下で製造するため、より欠陥が少ない構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る電子スピン利用素子の断面構成図、（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る電子スピン利用素子の断面構成図である。
【図２】製作の際の条件を変えて空間電荷量を変化させて作製したサンプルと抵抗値の関係を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る電子スピン利用素子の例を示す図である。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る電子スピン利用素子の例を示す図である。
【図５】本発明の第５の実施形態に係る電子スピン利用素子の例を示す図である。
【図６】本発明の電子スピン利用素子の製造工程の一例を示す図である。
【図７】ディップ法で有機膜を成膜する図である。
【符号の説明】
【００１８】
１  電子スピンフィルタ部、２  有機超薄膜Ｂ、３  界面、４  有機超薄膜Ａ、５  電子スピン検知部、６  基板、７  有機超薄膜、８  無機超薄膜、９  電子スピン作用部、１０  電子スピン利用素子
【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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