(57)【要約】【課題】  スピン注入効率の向上が図られたスピン伝導素子及び磁気ヘッドを提供する。【解決手段】  発明者らは、Ｓｉで構成されるチャンネル層１０と、チャンネル層１０上に形成された強磁性層２０Ａ、２０Ｂと、チャンネル層１０と強磁性層２０Ａ、２０Ｂとの間に介在するように形成されたトンネル層２２Ａ、２２Ｂとを備え、トンネル層２２Ａ、２２Ｂが、ＮａＣｌ構造のアルカリ土類酸化物（たとえばＢａＯ）で構成されており、かつ、該アルカリ土類酸化物のアルカリ土類イオン（たとえばＢａイオン）の一部が、異なる種類のアルカリ土類イオン（たとえばＭｇイオン）に置換された磁気センサー１を新たに見いだした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉで構成されるチャンネル層と、
前記チャンネル層上に積層された強磁性層と、
前記チャンネル層と前記強磁性層との間に介在するように形成されたトンネル層と
を備え、
前記トンネル層が、ＮａＣｌ構造のアルカリ土類酸化物で構成されており、かつ、該アルカリ土類酸化物のアルカリ土類イオンの一部が、異なる種類のアルカリ土類イオンに置換された、スピン伝導素子。
【請求項２】
前記トンネル層がＭｇＯまたはＢａＯで構成されている、請求項１に記載のスピン伝導素子。
【請求項３】
前記トンネル層がＭｇＯで構成され、前記トンネル層中のＭｇイオンが１〜６原子パーセントの割合でＢｅイオンに置換された、請求項２に記載のスピン伝導素子。
【請求項４】
前記トンネル層がＢａＯで構成され、前記トンネル層中のＢａイオンが１〜７原子パーセントの割合でＭｇイオンに置換された、請求項２に記載のスピン伝導素子。
【請求項５】
前記チャンネル層と前記トンネル層との界面の少なくとも一部が格子整合している、請求項１−４のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
【請求項６】
前記トンネル層の膜厚が１．０〜２．５ｎｍ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】
前記強磁性層が単磁区化されている、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】
前記強磁性層が形状異方性により磁化の方位が固定されている、請求項７に記載のスピン伝導素子。
【請求項９】
前記強磁性層は反強磁性膜で磁化の方位が固定されている、請求項７に記載のスピン伝導素子。
【請求項１０】
前記強磁性層はシンセティック膜によって磁化の方位が固定されている、請求項７に記載のスピン伝導素子。
【請求項１１】
請求項１−１０のいずれか一項に記載のスピン伝導素子を備える、磁気ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン伝導素子及び磁気ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、半導体におけるスピン伝導の現象が多くの注目を集めている。特にシリコンは現在の主な半導体製品の中心となる材料であり、シリコンベースのスピントロニクスが実現できれば、既存技術を捨てることなく、シリコンデバイスに新しい機能を付加することができる。
【０００３】
例えば、下記特許文献１に開示されているｓｐｉｎ−ＭＯＳＦＥＴが挙げられる。最近になって、下記非特許文献１において、シリコンにおける室温でのスピン伝導現象も証明されており、応用に向けた動きが始まっている。最近まで室温におけるスピン伝導現象が観測されなかった理由の一つが、シリコンへのスピン注入効率の温度依存性が温度の上昇と共に急激に減少することが原因の一つであった（下記非特許文献２、３参照）。さらに、応用化に向けて必要な出力の課題がある。下記特許文献１〜７で示されているように、スピン蓄積・伝導によって生じる電圧は仮に低温であっても１ｍＶ以下であり、応用製品の実用化のためには今後出力の向上が必要である。
【０００４】
なお、スピン注入のためにシリコンチャンネル層上に形成するトンネル層の材料（トンネル材料）として、Ａｌ２Ｏ３（非特許文献４）、ＳｉＯ２（非特許文献５）、ＭｇＯ（非特許文献６）が従来より知られており、いずれもスピントロニクスにおいて代表的な物質である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１１１９０４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】T.Suzuki et. al., Applied Physics Express 4 (2011), 023003
【非特許文献２】T.Sasaki et. al., Applied Physics Letter 96(2010), 122101
【非特許文献３】T.Sasaki et. al., Applied Physics Letter 98(2011), 012508
【非特許文献４】Erveet. al., Applied Physics Letter 91(2007), 212109
【非特許文献５】C. H.Li et. al., Applied Physics Letter 95(2009), 172102
【非特許文献６】T.Sasaki et. al., Applied Physics Express 2 (2009), 053003
【非特許文献７】F. J.Jedema Nature London 416(2002), 713
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したいずれのトンネル材料もアモルファスが安定状態であるが、チャンネル層の材料（チャンネル材料）のシリコンに対して格子定数が９％以上異なるかアモルファス膜となるため、シリコン上にエピタキシャル成長しにくい。もし仮に、エピタキシャル成長が実現できたとしても、格子定数の差が大きいために、成長界面付近で格子の不整合を形成して準安定状態を形成する必要がある。このような場合には、格子の不整合が生じている部分でスピンが散乱され、効率よくスピン注入されない虞がある。
【０００８】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、スピン注入効率の向上が図られたスピン伝導素子及び磁気ヘッド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】
【０００９】
スピン注入効率の向上を実現するために、発明者らはチャンネル材料とトンネル材料との間の格子定数の違いに着目した。この格子定数の違いによる格子不整合を取り除くためには、チャンネル材料と格子定数が近いトンネル材料を選択する必要がある。そして、格子不整合をさらに取り除くには、チャンネル材料と格子定数が近いトンネル材料中のイオンを、イオン半径の異なるイオンで一部置換して、チャンネル材料の格子定数を近づけることが考えられる。
【００１０】
そこで、発明者らは、Ｓｉで構成されるチャンネル層と、チャンネル層上に積層された強磁性層と、チャンネル層と強磁性層との間に介在するように形成されたトンネル層とを備え、トンネル層が、ＮａＣｌ構造のアルカリ土類酸化物で構成されており、かつ、該アルカリ土類酸化物のアルカリ土類イオンの一部が、異なる種類のアルカリ土類イオンに置換されたスピン伝導素子を新たに見いだした。
【００１１】
このスピン伝導素子においては、トンネル層を構成するＮａＣｌ構造のアルカリ土類酸化物のアルカリ土類イオンが、異なる種類のアルカリ土類イオンに置換されても、ＮａＣｌ構造が維持され、格子定数だけが変化する。そのため、チャンネル材料のＳｉの格子定数に近づくように、トンネル層を構成するアルカリ土類酸化物のアルカリ土類イオンを所定のアルカリ土類イオンで置換することで、チャンネル材料とトンネル材料との間の格子不整合が有意に緩和され、スピン伝導素子におけるスピン注入効率の向上が実現される。
【００１２】
また、トンネル層がＭｇＯまたはＢａＯで構成されている態様であってもよい。
【００１３】
さらに、トンネル層がＭｇＯで構成され、トンネル層中のＭｇイオンが１〜６原子パーセントの割合でＢｅイオンに置換された態様であってもよく、また、トンネル層がＢａＯで構成され、トンネル層中のＢａイオンが１〜７原子パーセントの割合でＭｇイオンに置換された態様であってもよい。
【００１４】
ここで、ＭｇＯ及びＢａＯは、同じＮａＣｌ構造を有するアルカリ土類酸化物であり、格子定数はそれぞれ４．３１３Å（ＭｇＯ）、５．５２６Å（ＢａＯ）である。ＭｇＯの結晶軸方位を４５度回転させると５．９５８Åとなり、シリコンの格子定数５．４３０９Åに対して１０％程度の差がある。そこで、トンネル材料がＭｇＯの場合は、一部のＭｇイオンをよりイオン半径の小さいＢｅイオンに置換することで、トンネル材料の格子定数がチャンネル材料のシリコンに近づく。同様に、トンネル材料がＢａＯの場合は、一部のＢａイオンをよりイオン半径の小さいＭｇイオンに置換することで、トンネル材料の格子定数がチャンネル材料のシリコンに近づく。
【００１５】
また、チャンネル層とトンネル層との界面の少なくとも一部が格子整合している態様であってもよい。
【００１６】
さらに、トンネル層の膜厚が１．０〜２．５ｎｍである態様であってもよい。
【００１７】
また、強磁性層が単磁区化されている態様であってもよく、強磁性層は、形状異方性により磁化の方位が固定されている態様や、反強磁性膜で磁化の方位が固定されている態様、シンセティック膜によって磁化の方位が固定されている態様であってもよい。
【００１８】
なお、本発明のスピン伝導素子は、磁気ヘッド、スピントランジスタ、メモリ、センサ、論理回路等に適用することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、スピン注入効率の向上が図られたスピン伝導素子及び磁気ヘッドが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る磁気センサーの概略断面図である。
【図２】図２は、図１に示す磁気センサーの電極部分の部分拡大図である。
【図３】図３は、トンネル材料にＭｇＯを採用した場合の磁気センサーのＨａｎｌｅ効果を示したグラフである。
【図４】図４は、トンネル材料にＢａＯを採用した場合の磁気センサーのＨａｎｌｅ効果を示したグラフである。
【図５】図５は、ＢａＯトンネル材料をＭｇイオンで置換したときの格子定数および出力の変化を示したグラフである。
【図６】図６は、ＭｇＯトンネル材料をＢｅイオンで置換したときの格子定数および出力の変化を示したグラフである。
【図７】図７は、図１とは異なる態様の磁気センサーの概略断面図である。
【図８】図８は、図７に示す磁気センサーを含む磁気ヘッドを示した概略断面図である。
【図９】図９は、図２とは異なる態様の電極部分の部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２２】
図１に示すように、スピン伝導素子の一つである磁気センサー１は、チャンネル層１０と、第一強磁性層２０Ａと、第二強磁性層２０Ｂとを有し、Ｚ軸方向の外部磁界を検出するものである。
【００２３】
チャンネル層１０は、第一強磁性層２０Ａから第二強磁性層２０Ｂまで延びており、チャンネル層１０の厚み方向から見て、矩形状をなしている。チャンネル層１０に流れる電流及びスピン流は、主にＸ軸方向に流れる構造となっている。チャンネル層１０には、導電性を付与するためのイオンが添加されていても良い。イオン濃度は、例えば１．０×１０１５〜１．０×１０２２ｃｍ−３とすることができる。チャンネル層１０は、スピン寿命の長い材料であることが好ましく、Ｓｉで構成されている。また、チャンネル層１０における第一強磁性層２０Ａから第二強磁性層２０Ｂまでの距離は、チャンネル層１０のスピン拡散長以下であることが好ましい。
【００２４】
第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂは、チャンネル層１０へスピンを注入するための注入電極、あるいはチャンネル層１０を伝導してきたスピンを検出するための受け取り電極として機能する。第一強磁性層２０Ａは、チャンネル層１０の第一領域１１上に設けられている。第二強磁性層２０Ｂは、チャンネル層１０の第二領域１２上に設けられている。
【００２５】
第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂは、それぞれＹ軸方向を長軸とした直方体形状を有しており、Ｙ軸方向とＸ軸方向のアスペクト比の違いによって反転磁場の差をつけている。第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０ＢのＹ軸方向に関する幅は、同一とすることができ、Ｘ軸方向の幅が異なることで第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂの保磁力に違いを持たせることができる。図１に示すように、第一強磁性層２０Ａの磁化方向Ｇ１は、例えば第二強磁性層２０Ｂの磁化方向Ｇ２と同一にすることができる。この場合、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂの磁化固定を容易に行える。
【００２６】
第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂは、強磁性材料からなる。第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂの材料は、例えば、ＴｂＦｅＣｏ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｄ、ＭｎＡｌ、ＣｒＣｏであり、その他の材料として、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｔｂ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以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群から選択される１以上の元素とを含む化合物とすることができる。
【００２７】
磁気センサー１は、更に、第一参照電極３０Ａと第二参照電極３０Ｂとを備えている。第一参照電極３０Ａは、チャンネル層１０の第三領域１３上に設けられている。第二参照電極３０Ｂは、チャンネル層１０の第四領域１４上に設けられている。また、チャンネル層１０は、第一強磁性層２０Ａから第二強磁性層２０Ｂまで延びる方向とは異なる方向に、第一強磁性層２０Ａから第一参照電極３０Ａまで延びており、チャンネル層１０は、第二強磁性層２０Ｂから第一強磁性層２０Ａまで延びる方向とは異なる方向に、第二強磁性層２０Ｂから第二参照電極３０Ｂまで延びている。第一参照電極３０Ａ及び第二参照電極３０Ｂは、導電性材料からなり、例えばＡｌなどのＳｉに対して低抵抗な非磁性金属からなる。
【００２８】
第三領域１３と第四領域１４との間に、第一領域１１及び第二領域１２が存在している。チャンネル層１０上には、第一参照電極３０Ａ、第一強磁性層２０Ａ、第二強磁性層２０Ｂ、及び第二参照電極３０Ｂが、Ｘ軸方向に所定の間隔を置いて、この順に配置されている。
【００２９】
磁気センサー１は、更に、トンネル層２２Ａ、２２Ｂを備えている。トンネル層２２Ａ、２２Ｂは、チャンネル層１０と、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂとの間にそれぞれ設けられている。これにより、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂからチャンネル層１０へスピン偏極した電子を高効率に注入することが可能となり、磁気センサー１の電位出力を高めることが可能となる。
【００３０】
トンネル層２２Ａ、２２Ｂは、絶縁性材料の膜からなるトンネル障壁であり、ＮａＣｌ構造のアルカリ土類酸化物であるＢａＯのＢａイオンをＭｇイオンで一部置換したＢａＭｇＯで構成されている。トンネル層２２Ａ、２２Ｂの膜厚は、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２．５ｎｍ以下であることが好ましく、ＢａＭｇＯが膜として形成できる膜厚である１．０ｎｍ以上であることが好ましい。
【００３１】
磁気センサー１は、更に、絶縁膜（あるいは絶縁体）を備えている。絶縁膜は、チャンネル層１０の露出を防ぎ、チャンネル層１０を電気的及び磁気的に絶縁する機能を有する。絶縁膜は、チャンネル層１０の表面（例えば下面、側面、または上面）の必要な領域を覆っていることが好ましい。絶縁膜１０ａが、チャンネル層１０の下面に設けられており、絶縁膜１０ｂが、チャンネル層１０の上面上に設けられている。
【００３２】
具体的に、絶縁膜１０ｂは、チャンネル層１０の第一領域１１と第二領域１２との間に存在する領域の上面、チャンネル層１０の第一領域１１と第三領域１３との間に存在する領域の上面、第二領域１２と第四領域１４との間に存在する領域の上面上に設けられている。この絶縁膜１０ｂ上に、第一参照電極３０Ａ、第一強磁性層２０Ａ、第二強磁性層２０Ｂ、及び第二参照電極３０Ｂに接続する配線を設ければ、この配線によってチャンネル層１０のスピンが吸収されることを抑制できる。また、絶縁膜１０ｂ上に配線を設けることにより、配線からチャンネル層１０へ電流が流れることも抑制できる。
【００３３】
続いて、磁気センサー１を作製する手順について、その一例を説明する。
【００３４】
まず、予め準備したＳＯＩ基板（Ｓｉ１００ｎｍ／ＳｉＯｘ２００ｎｍ／Ｓｉ基板）に、アライメントマークを形成する。アライメントマークを目印として、基板上において、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法によって、絶縁膜１０ａを形成する。
【００３５】
続いて、例えばＭＢＥ法によって、絶縁膜１０ａ上にチャンネル層１０を形成する。チャンネル層１０に、導電性を付与するためのイオンを注入して、チャンネル層１０の伝導特性を調節する。その後、９００℃の温度で熱アニールによってイオンを拡散させる。次いで、ＲＣＡ洗浄により、チャンネル層１０の表面の付着物、有機物、及び酸化膜の除去し、その後、ＨＦ洗浄液を用いて表面を水素で終端させた。
【００３６】
その後、基板をＭＢＥ装置（ベース真空度:２．０×１０−９Ｔｏｒｒ以下）に搬入した後、基板加熱によるフラッシング処理により基板表面の水素を脱離させ、清浄表面を形成した。堆積時の真空度は５×１０−８Ｔｏｒｒ以下であり、ＢａＭｇＯ（膜厚１．２ｎｍ）、Ｆｅ（膜厚１０ｎｍ）、Ｒｕ（膜厚１．５ｎｍ）、Ｔａ（膜厚１ｎｍ）の順に成膜を行う。すなわち、チャンネル層１０上に、トンネル層２２Ａ、２２ＢとなるＢａＭｇＯ膜と、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０ＢとなるＦｅ膜（強磁性膜）とをこの順に形成する。その結果、チャンネル層１０とトンネル層２２Ａ、２２Ｂとの界面の少なくとも一部が格子整合する。
【００３７】
次いで、これらのＢａＭｇＯ膜及び強磁性膜を例えば電子ビーム（ＥＢ）法にて、マスクを用いて加工する。たとえば、特開２０１０−１９９３２０号公報に開示されているように、マスクを用いて、イオンミリングあるいは化学的なエッチングによりチャンネル層１０を形成する。さらに、チャンネル層１０の上のＢａＭｇＯ膜及び強磁性膜を、例えば電子ビーム（ＥＢ）法にて形成する。これをさらにイオンミリングあるいは化学的エッチングにより、チャンネル層１０の第一領域１１上に、トンネル層２２Ａを介して第一強磁性層２０Ａが形成され、チャンネル層１０の第二領域１２上に、トンネル層２２Ｂを介して第二強磁性層２０Ｂが形成される。なお、上述のとおり、必要に応じて、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂ上に、例えばＭＢＥ法によって、さらに反強磁性層を形成してもよい。そして、第一強磁性層２０Ａまたは第二強磁性層２０Ｂの磁化方向を固定するために、磁場下でのアニールを行う。その後、例えばイオンミリングによって、チャンネル層１０上に形成された不要なトンネル膜や強磁性膜を除去する。
【００３８】
次いで、不要な障壁膜や強磁性膜が除去されたチャンネル層１０上に絶縁膜１０ｂを形成する。また、チャンネル層１０の第三領域１３及び第四領域１４上の絶縁膜１０ｂを除去し、第一参照電極３０Ａ及び第二参照電極３０Ｂをそれぞれ形成する。
【００３９】
以下、磁気センサー１の作用効果を説明する。
【００４０】
まず、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂの磁化方向を固定する。図１に示す例では、第一強磁性層２０Ａの磁化方向Ｇ１は、第二強磁性層２０Ｂの磁化方向Ｇ２と同一方向（Ｙ軸方向）に固定している。
【００４１】
例えば第一強磁性層２０Ａ及び第一参照電極３０Ａを電流源に接続することにより、第一強磁性層２０Ａに検出用電流を流すことができる。非磁性のチャンネル層１０からトンネル層２２Ａを介して、強磁性体である第一強磁性層２０Ａへ電流が流れることにより、第一強磁性層２０Ａの磁化の向きＧ１に対応する向きのスピンを有する電子がチャンネル層１０へ注入される。注入されたスピンは第二強磁性層２０Ｂ側へ拡散していく。このように、チャンネル層２０に流れる電流及びスピン流が、主にＸ軸方向に流れる構造とすることができる。
【００４２】
ここで、チャンネル層１０に外部磁場を印加しないとき、すなわち外部磁場がゼロのとき、チャンネル層１０の第一領域１１と第二領域１２との間の領域を拡散するスピンの向きは回転しない。よって、予め設定された第二強磁性層２０Ｂの磁化の向きＧ２と同一方向のスピンが第二領域１２まで拡散してくることとなる。従って、外部磁場がゼロのとき、抵抗出力あるいは電圧出力が極値となる。なお、電流や磁化の向きで極大値あるいは極小値をとりうる。出力は、第二強磁性層２０Ｂ及び第二参照電極３０Ｂに接続した電圧測定器などの出力測定器により評価することができる。
【００４３】
対して、チャンネル層１０へ外部磁場を印加する場合を考える。なお、図１の例では、外部磁場はＺ軸方向から印加する。外部磁場を印加すると、チャンネル層１０内を拡散してきたスピンの向きは、外部磁場の軸方向（Ｚ軸方向）を中心として回転する（いわゆるＨａｎｌｅ効果）。このスピンがチャンネル層１０の第二領域１２まで拡散してきたときの回転の向きと、予め設定された第二強磁性層２０Ｂの磁化の向きＧ２、すなわちスピンと、の相対角により、チャンネル層１０と第二強磁性層２０Ｂの界面の電圧出力や抵抗出力が決定される。外部磁場を印加する場合、チャンネル層１０を拡散するスピンの向きは回転するので、第二強磁性層２０Ｂの磁化の向きＧ２と向きが揃わない。よって、抵抗出力あるいは電圧出力は、外部磁場がゼロのときに極大値をとる場合、外部磁場を印加するときには極大値以下となり、外部磁場がゼロのときに極小値をとる場合、外部磁場を印加すると極小値以上となる。
【００４４】
従って、外部磁場がゼロのときに出力のピークが現れ、外部磁場を増加または減少させると、出力が減少していく。つまり、外部磁場の有無によって出力が変化するので、本実施形態に係る磁気センサー１を磁気検出素子として使用できる。
【００４５】
なお、磁気センサー１では、上述のように外部磁場がゼロで出力のピークが出る。よって、例えば磁気ヘッドなどに磁気センサー１を適用して、外部磁場の正負のタイミングを読み取る場合、磁壁の磁場がキャンセルするゼロのところで出力ピークがでるので、ここで反転したと判断することができる。また、磁気センサー１ではヒステリシスがないことも特徴である。
【００４６】
以上で説明したとおり、磁気センサー１におけるトンネル層２２Ａ、２２ＢはＢａＭｇＯで構成されており、図３及び図４のグラフから、ＭｇＯもＢａＯもほぼ同様のＨａｎｌｅ結果が得られることがわかる。
【００４７】
ＢａとＭｇとの比率（すなわち、組成比ｘ）は、ＩＣＰ発光分析の結果を用いた。評価用のＢａ１−ＸＭｇＸＯ膜（膜厚３ｎｍ）を用いた。
【００４８】
図５（ａ）は、ＢａＯトンネル材料のＢａイオンをＭｇイオンで一部置換して、Ｂａ１−ｘＭｇｘＯの組成比を変えたときの格子定数の変化を示したグラフであり、このグラフから、Ｍｇの組成比（ｘ）を１原子パーセントから７原子パーセントまで増加させていくと、次第にシリコンの格子定数５．４３０９Åに近づいていくことがわかる。
【００４９】
図５（ｂ）は、ＢａＯトンネル材料のＢａイオンをＭｇイオンで一部置換して、Ｂａ１−ｘＭｇｘＯの組成比を変えたときのスピン出力の変化を示したグラフであり、このグラフから、Ｍｇの組成比（ｘ）を１原子パーセントから７原子パーセントまで増加させていくと、スピン出力が次第に増加していくことがわかる。
【００５０】
すなわち、図５（ａ）および（ｂ）のグラフから、ＢａＭｇＯトンネル材料中のＢａイオンを１〜７原子パーセントの割合でＭｇイオンに置換することで、チャンネル材料のシリコンとトンネル材料のＢａＭｇＯとの間の格子不整合が有意に緩和され、スピン伝導素子におけるスピン注入効率が向上したものと考えられる。
【００５１】
なお、図５（ａ）のグラフにおいて、Ｍｇの組成比を８原子パーセント以上にした場合、格子定数の変化は小さくなり、Ｍｇの置換が困難であることが示されている。また、スピン出力も、Ｍｇの組成比を高くすることで増大する傾向にあるが、８原子パーセント以上になると下がる傾向にある。これは、ＢａＯをＭｇで置換してＳｉとの格子定数に近くすると、その置換によるスピンの散乱の因子も同時に生じることに起因し、Ｍｇの組成比が高くなるとむしろ出力が下がる傾向にある。Ｍｇの置換量が８原子パーセント以下の場合は置換量に対して格子定数が直線的に変化するが、８原子パーセント以上にした場合には直線からはずれる傾向が見られている。これは８原子パーセント以上にした場合においてＢａイオンをＭｇイオンで置き換えられず、逆に、不純物としてスピンの散乱体として機能している可能性が考えられる。
【００５２】
上述した実施形態においては、トンネル材料をＢａ１−ｘＭｇｘＯとして図５のような結果が得られたが、トンネル材料がＭｇ１−ｘＢｅｘＯの場合においても図６に示すように同様の結果が得られる。
【００５３】
図６（ａ）は、ＭｇＯトンネル材料のＭｇイオンをＢｅイオンで一部置換して、Ｍｇ１−ｘＢｅｘＯの組成比を変えたときの格子定数の変化を示したグラフであり、このグラフから、Ｂｅの組成比（ｘ）を１原子パーセントから６原子パーセントまで増加させていくと、格子定数がＢｅの置換量に対して直線的に減少する。格子定数が減少することによりＭｇＯの基本格子が４５度傾いた方向を基本格子として考えた場合に、次第にシリコンの格子定数５．４３０９Åに近づいていくことがわかる。
【００５４】
図６（ｂ）は、ＭｇＯトンネル材料のＭｇイオンをＢｅイオンで一部置換して、Ｍｇ１−ｘＢｅｘＯの組成比を変えたときのスピン出力の変化を示したグラフであり、このグラフから、Ｂｅの組成比（ｘ）を１原子パーセントから６原子パーセントまで増加させていくと、スピン出力が次第に増加していくことがわかる。
【００５５】
すなわち、図６（ａ）および（ｂ）のグラフから、ＭｇＢｅＯトンネル材料中のＭｇイオンを１〜６原子パーセントの割合でＢｅイオンに置換することで、チャンネル材料のシリコンとトンネル材料のＭｇＢｅＯとの間の格子不整合が有意に緩和され、スピン伝導素子におけるスピン注入効率が向上したものと考えられる。
【００５６】
本発明の磁気センサー１は、図８に示すような磁気ヘッド１００Ａや、スピントランジスタやメモリ、センサ、論理回路等に適用することができる。なお、磁気ヘッドに最適化する場合には、外部磁場は図１のＹ軸方向から入射される場合が好ましく、この場合、図７に示す磁気センサー１Ａのように、強磁性層２０Ａ、２０ＢはＸ軸（あるいはＺ軸）に固定される。強磁性層２０Ａ、２０Ｂの磁化方向の固定方法は、反強磁性膜で磁化方向をＸ方向に固定するか、あるいは、Ｚ方向に磁気異方性を持つ垂直磁化膜が好ましい。
【００５７】
図８は、薄膜磁気記録再生ヘッドである磁気ヘッド１００Ａを示す概略断面図である。上述した図７の磁気センサー１Ａを磁気ヘッド１００Ａの読取ヘッド部１００ａに適用することができる。磁気ヘッド１００Ａは、そのエアベアリング面（ＡｉｒＢｅａｒｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ：媒体対向面）ＡＢＳが磁気記録媒体１２０の記録面１２０ａに対向配置されるような位置で磁気情報の記録及び読み取り動作を行う。上述の磁気センサー１Ａのチャンネル層１０の前端面（図７におけるチャンネル層１０の紙面手前側の面）が、このエアベアリング面ＡＢＳに対応するように配置されることとなる。
【００５８】
磁気記録媒体１２０は、記録面１２０ａを有する記録層１２０ｂと、記録層１２０ｂに積層される軟磁性の裏打ち層１２０ｃとを含んで構成されており、図８のＺ軸方向で示す方向に、磁気ヘッド１００Ａに対して相対的に進行する。磁気ヘッド１００Ａは、磁気記録媒体１２０から記録を読み取る読取ヘッド部１００ａの他に、磁気記録媒体１２０への記録を行う記録ヘッド部１００ｂを備える。読取ヘッド部１００ａ及び記録ヘッド部１００ｂは、基板１０１上に設けられており、アルミナ等の非磁性絶縁層により覆われている。
【００５９】
図８に示すように、読取ヘッド部１００ａの上に、書き込み用の記録ヘッド部１００ｂが設けられている。記録ヘッド部１００ｂにおいて、リターンヨーク１３０上にコンタクト部１３２及び主磁極１３３が設けられており、これらが磁束のパスを形成している。コンタクト部１３２を取り囲むように薄膜コイル１３１が設けられており、薄膜コイル１３１に記録電流を流すと主磁極１３３の先端から磁束が放出され、ハードディスク等の磁気記録媒体１２０の記録層１２０ｂに情報を記録することができる。以上のように、本発明の磁気センサー１を用いて、記録媒体などの微小な領域から磁束を検出可能な磁気ヘッド１００Ａを提供できる。
【００６０】
なお、本発明は上述した実施形態に限らず、様々な変形が可能である。たとえば、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂの部分における電極構造は、図９に示すようなシンセティック膜により磁化される積層構造とすることが可能である。図９の積層構造は、Ｓｉ上に、ＢａＭｇＯ（膜厚１．２ｎｍ）、Ｆｅ（膜厚１０ｎｍ）、Ｒｕ（膜厚１．５ｎｍ）、Ｔａ（膜厚１ｎｍ）が順次成膜された構造であり、チャンネル層１０、トンネル層２２Ａ、２２Ｂ、強磁性層２０Ａ、２０Ｂ、保護膜層２４、Ｒｕ層２６、強磁性層２８に相当する。
【００６１】
また、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂの磁化方向は、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂ上に設けられた反強磁性層または形状異方性により、固定されていても良い。例えば、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂにおいて、Ｘ軸方向とＹ軸方向のアスペクト比の違いによって、反転磁場の差を付ける。あるいは、第一強磁性層２０Ａ及び第二強磁性層２０Ｂに、磁化の向きを固定するための反強磁性層を備えても良い。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第一強磁性層２０Ａあるいは第二強磁性層２０Ｂが得られる。
【００６２】
なお、トンネル材料の置換するイオンは、同じイオン価数の元素で置換を行うことが好ましい。さらに、最外殻に回る電子の軌道が類似している元素で置換することがさらに好ましく、上述した実施形態においては、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａで一部置換する方法がよい。
【符号の説明】
【００６３】
１、１Ａ…磁気センサー、１０…チャンネル層、２０Ａ、２０Ｂ…強磁性層、２２Ａ、２２Ｂ…トンネル層、３０Ａ、３０Ｂ…参照電極、１００Ａ…磁気ヘッド。
【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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【図９】
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