(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層上にアバランシェブレイクダウンによる電子増倍層が形成され、該電子増倍層上に第一の磁性体層が積層され、該第一の磁性体層上に、順にトンネルバリア層と、第二の磁性体層とを積層した構造を有す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】
請求項１記載のスピンバルブトランジスタであって、前記第一の磁性体層と、前記半導体層上に設けたアバランシェブレイクダウンによる電子増倍層との間に、高濃度ドープ半導体から成るバッファ層を設け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】
半導体層上にｎ型半導体層及びｐ型半導体層をこの順に成長させ、前記ｐ型半導体層上に、第一の磁性体層を成長させ、該第一の磁性体層上に、順にトンネルバリア層と、第二の磁性体層とを成長させたスピンバルブトランジスタであって、コレクタバイアスが、前記ｐｎ接合を逆バイアスすることによって電子増倍機構を得る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、２又は３記載のスピンバルブトランジスタであって、前記第一の磁性体層として、１００Å以下の厚さのＦｅを用いることを特徴とするスピンバルブトランジスタ。
【請求項５】
請求項１、２、３又は４記載のスピンバルブトランジスタであって、前記半導体層としてＧａＡｓを用いることを特徴とするスピンバルブトランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、再生用磁気ヘッドや磁気メモリとしての応用が期待されるスピンバルブトランジスタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術としては、例えば、
（１）Ｋ．Ｍｉｚｕｓｈｉｍａ，Ｔ．Ｋｉｎｎｏ，Ｋ．Ｔａｎａｋａ，ａｎｄ  Ｔ．Ｙａｍａｕｃｈｉ，Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ，Ｖｏｌ．５８，ｎｏ．８，１９９８，ｐｐ．４６６０−４６６５
（２）Ｄ．Ｊ．Ｍｏｎｓｍａ，Ｊ．Ｃ．Ｌｏｄｄｅｒ，Ｔｈ．Ｊ．Ａ．Ｐｏｐｍａ，ａｎｄ，Ｂ，Ｄｉｅｎｙ，Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．７４，ｎｏ．２６，１９９５，ｐｐ．５２６０−５２６３
に開示されるものがあった。
【０００３】
上記文献には、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）に基づく磁気センサとして、スピンバルブトランジスタ（ＳＶＴ）素子が提案されている。
【０００４】
ＳＶＴ素子は、従来の磁気抵抗効果素子に比べ大きな磁気抵抗効果を示すため、再生用磁気ヘッドや磁気メモリとしての応用が期待されている。
【０００５】
図８は従来のＳＶＴ素子の構成図である。
【０００６】
この図に示すように、ＳＶＴ素子は、半導体基板（半導体層）４００の上に、第一の磁性体層２００、トンネルバリア層（誘電体層）３００、及び第二の磁性体層１００が、この順に積層された構造を有する。ここで、半導体基板４００は、オーミックコンタクト領域４０１内に形成されたコレクタ電極５５０を通じて、外部電気回路に接続される。その半導体基板４００上に形成される第一の磁性体層２００には、上部に半導体基板４００を介さず、直接外部回路と電気的接続を行うベース電極５３０が形成されている。
【０００７】
一方、第二の磁性体層１００は、金属配線層から成るエミッタ電極５１０を通じて外部電気回路に接続される。
【０００８】
また、エミッタ電極５１０とベース電極５３０の間には、エミッタ電圧７１０が印加され、コレクタ電極５５０とベース電極５３０の間には、コレクタ電圧７５０が印加される。ここで、エミッタ電極５１０に流れる電流をエミッタ電流６１０とし、ベース電極５３０に流れ込む電流をベース電流６３０とし、コレクタ電極５５０に流れ込む電流をコレクタ電流６５０とする。なお、８００は外部磁界である。
【０００９】
図９は、ＳＶＴ素子において、第一の磁性体層２００、トンネルバリア層３００、第二の磁性体層１００及び半導体基板４００の各層と、これらの界面で実現される、バンド構造を示す図である。
【００１０】
図９では、第一の磁性体のフェルミレベルがＥF1、第二の磁性体のフェルミレベルがＥF2と表示されている。また、図９は、エミッタ電圧７１０が、エミッタ電極５１０を、ベース電極５３０に対してＶE だけ負にバイアスしており、かつ、ベース電位とコレクタ電位が同電位に設定されている（つまり、コレクタ電圧はゼロである）場合を表している。
【００１１】
上記二種類の磁性体層１００，２００間にバイアス電圧Ｖを印加すると、これら二層の磁性体層の間に、トンネルバリア層３００を介したトンネル電流Ｉが流れる。トンネル抵抗Ｒは、Ｒ＝Ｖ／Ｉで定義できる。このトンネル抵抗Ｒの大きさを観測すると、上記第一及び第二の磁性体層２００，１００間の磁化の向きが平行か反平行であるかによって、トンネル抵抗Ｒが変化する。このようなトンネル抵抗Ｒの変化を、磁気抵抗変化と呼ぶ。磁気抵抗変化が生じる原因は、両磁性体中での、フェルミ面付近の状態密度分布の非対称性に有る。すなわち、第一の磁性体層２００のマジョリティスピンの向きが上向きであり、また、第二の磁性体層１００のマイノリティスピンの向きも上向きであるとき、同じ向きのスピンの状態間のトンネルしか許されないことから、第二の磁性体層１００から見た第一の磁性体層２００の空き準位の密度は相対的に小さく、トンネル確率が小さくなる。このような両磁性体層１００，２００の磁化の配置を、磁化の反平行配置と呼ぶ。
【００１２】
一方、上記のように第一の磁性体層２００のマジョリティスピンの向きが上向きであり、かつ、第二の磁性体層１００のマジョリティスピンの向きも上向きであるとき、第二の磁性体層１００から見た第一の磁性体層２００の空き準位の密度は相対的に大きく、トンネル確率が大きくなる。このような両磁性体の磁化の配置を、磁化の平行配置と呼ぶ。
【００１３】
トンネル確率の小さい反平行配置の時は、上記トンネル抵抗Ｒはより大きくなり、トンネル確率の大きい平行配置の時は、上記トンネル抵抗Ｒは小さくなる。磁気抵抗変化が生じることにより、上記バイアス電圧Ｖが一定であれば、外部磁界８００の変化によって、磁化の平行配置と反平行配置の間のスイッチが起こり、上記トンネル電流が変化する。
【００１４】
ＳＶＴ素子では、第二の磁性体層１００から第一の磁性体層２００へ注入されるトンネル電子のうち、第一の磁性体層２００を透過して、一部の電子が半導体基板４００に到達できる構造となっている。
【００１５】
本発明によるＳＶＴ素子では、この半導体層（半導体基板）に到達する電子に起因する電流を電流信号とする。言い換えれば、コレクタ電流６５０の外部磁界８００による変化が、センサー信号である。
【００１６】
上記の半導体層に到達する電子は、図９に示したエミッタ・ベース間バイアス電圧の存在により、第二の磁性体層１００のフェルミレベルＥF2付近のエネルギー準位に端を発し、第一の磁性体層２００中のフェルミレベルＥF1より十分高いエネルギー準位を経て半導体層４００に到達する、ホットエレクトロンＨＥが主体であると考えられる。
【００１７】
ここで、第一の磁性体層２００中のフェルミレベルＥF1より十分高いエネルギー準位においては、上向きスピンの状態密度が、下向きスピンの状態密度に比べて遙かに大きく、第二の磁性体層１００から第一の磁性体層２００に注入される電子は、上向きスピンのものにほぼ限定されると見て良い。このため、両磁性体層の磁化の向きが平行か反平行であるかによって、第二の磁性体層１００のスピン分極率を忠実に反映した、極めて大きい磁気抵抗効果が得られる。
【００１８】
一方、第二の磁性体層１００のフェルミレベルＥF2より十分低いエネルギー準位に端を発した電子は、第一の磁性体層２００中のフェルミレベルＥF1より高いエネルギー準位ではあるが、ショットキーバリア高さよりも低いエネルギー準位へ注入されるため、半導体層（半導体基板）４００には、ほとんど到達せず、第一の磁性体層２００を通じて外部回路へ流れ、ベース電流５３０を形成する。
【００１９】
図９にも示されているように、これらの低エネルギー電子のトンネルに関与する第一の磁性体層２００中の電子状態は、あまり大きなスピン分極を持たず、したがって、ベース電流５３０には、大きな磁気抵抗効果は期待できない。
【００２０】
以上の議論から、第一の磁性体層２００中の十分高いエネルギー準位を経由して半導体層４００に到達する電子（ホットエレクトロン）を主体としたコレクタ電流６５０は、より低いエネルギー準位を経由する電子を主体としたベース電流５３０に比べ、より大きな磁気抵抗変化（磁気電流変化ともいう）を発生すると結論される。
【００２１】
ＳＶＴ素子は、第一の磁性体層２００と半導体層４００の界面に生成される「ショットキーバリアのフィルタ効果」により、第一の磁性体層２００に注入されるトンネル電子全体の中から、より大きな磁気抵抗変化を生じるホットエレクトロンＨＥのみを抽出し、コレクタ信号とする素子である。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、ＳＶＴ素子におけるコレクタ電流は、第二の磁性体から注入されるエミッタ電流の一部がコレクタに到達する結果得られる信号である。エミッタ電流は、以下のような三種類の過程で、コレクタへの流入を妨げられる。すなわち、（１）第一の磁性体層中でのホットエレクトロンの各種散乱機構による減衰、（２）ショットキーバリアによる低エネルギー電子の除去、（３）ホットエレクトロンの、第一の磁性体と半導体界面でのポテンシャル散乱、の主に３つの要素である。通常、これらの過程によって、コレクタ電流は、エミッタ電流の１×１０-4倍程度以下の大きさとなる。そのため、磁気抵抗変化の大幅な向上にも関わらず、信号レベルの大幅な減少となり、信号体雑音比を悪化させるという問題があった。
【００２３】
本発明は、上記問題点を除去し、磁気抵抗変化の大幅な向上による信号レベルの減少を抑えて信号体雑音比を高めることができるスピンバルブトランジスタを提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕スピンバルブトランジスタにおいて、半導体層上にアバランシェブレイクダウンによる電子増倍層が形成され、この電子増倍層上に第一の磁性体層が積層され、この第一の磁性体層上に、順にトンネルバリア層と、第二の磁性体層とを積層した構造を有することを特徴とする。
【００２５】
〔２〕上記〔１〕記載のスピンバルブトランジスタであって、前記第一の磁性体層と、前記半導体層上に設けたアバランシェブレイクダウンによる電子増倍層との間に、高濃度ドープ半導体から成るバッファ層を設けることを特徴とする。
【００２６】
〔３〕半導体層上にｎ型半導体層及びｐ型半導体層をこの順に成長させ、前記ｐ型半導体層上に、第一の磁性体層を成長させ、この第一の磁性体層上に、順にトンネルバリア層と、第二の磁性体層とを成長させたスピンバルブトランジスタであって、コレクタバイアスが、前記ｐｎ接合を逆バイアスすることによって電子増倍機構を得ることを特徴とする。
【００２７】
〔４〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載のスピンバルブトランジスタであって、前記第一の磁性体層として、１００Å以下の厚さのＦｅを用いることを特徴とする。
【００２８】
〔５〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載のスピンバルブトランジスタであって、前記半導体層としてＧａＡｓを用いることを特徴とする。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００３０】
図１は本発明のスピンバルブトランジスタの基本構成を示す断面図である。なお、従来のスピンバルブトランジスタの構成と同じ部分については、同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
【００３１】
ここでは、コレクタ電流の増倍機構を有するスピンバルブトランジスタ（ＳＶＴ）構造を用いた。この増倍機構は、図１に示すような、低濃度ドープ半導体層からなる増倍層４１０を第一の磁性体層２００の直下に設け、さらに、ベース電極５３０に対してコレクタ電極５５０を正とする、十分大きな逆方向バイアス電圧を印加することによって得られる。コレクタ電圧７５０に印加された電圧は、上記増倍層４１０中に大きな電界強度を発生させる。
【００３２】
図２に示すように、この電界により、第一の磁性体層２００から上記増倍層４１０に注入されたホットエレクトロンＨＥはさらに加速され、衝突電離を起こしながら電子正孔対を発生させ、電子増倍を起こす。これによって、コレクタ電流６５０が多くなり、出力信号の増強につながる。
【００３３】
図３は本発明の第１実施例を示すスピンバルブトランジスタ素子の構成図である。なお、従来のスピンバルブトランジスタの構成と同じ部分については、同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
【００３４】
高濃度ドープｎ型ＧａＡｓ半導体基板４０２上に、低濃度ドープ型ＧａＡｓによる増倍層４１２を再成長し、その表面に第一の磁性体層２０２として、５０Å厚のＦｅ（１００）を成長させた。引き続いて、酸化アルミニウム層によるトンネルバリア層３０２を形成し、引き続いて、第二の磁性体層１０２を成長させた。第二の磁性体層１０２は、ここでは、Ｆｅ０．２Ｎｉ０．８合金を用いた。なお、第二の磁性体層１０２として、ＣｏＦｅ合金など、アモルファス磁性合金一般を用いることができる。
【００３５】
高濃度ドープｎ型ＧａＡｓ半導体基板４０２のドープレベルは、Ｓｉの１×１０-18 ｃｍ-3、低濃度ドープｎ型ＧａＡｓによる増倍層４１２のＳｉドープレベルは１×１０-17 ｃｍ-3である。上述のような磁性体層を成長したＧａＡｓ基板は、フォトリソグラフィーを主体とした微細加工技術により、２０μｍ×５０μｍの接合面積を有する、ＳＶＴ素子に加工される。
【００３６】
上記の構成により、従来のＳＶＴ素子に比べ、５倍以上の信号電流レベルが実現された。
【００３７】
図４は本発明の第２実施例を示すスピンバルブトランジスタ素子の構成図である。なお、従来のスピンバルブトランジスタの構成と同じ部分については、同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
【００３８】
図３に示す第１実施例に記載のＳＶＴ素子において、コレクタ電極に印加するバイアス電圧の増加とともに、第一の磁性体２０２と低濃度ドープ型ＧａＡｓによる増倍層４１２の界面に生成されるショットキーバリアが相対的に薄くなって行く。そのため、ＳＶＴ素子の動作原理である「ショットキーバリアによる高エネルギー電子のフィルタ効果」が弱くなる。このような現象を避けるために、図４に示したような、高濃度ドープｎ型ＧａＡｓからなる、バッファ層４２０を設けた。
【００３９】
図５には、この構造によって実現されるバンド構造を示した。コレクタバイアスは、増倍層４１２に集中し、バッファ層４２０のポテンシャル分布に大きな影響を与えない。このため、フィルタとしてのショットキーバリアは、その機能を温存し、増倍機構を増強しつつ、良好なフィルタ効果を実現できる。これによって、従来のＳＶＴ素子に比べ、１０倍以上の信号電流レベルが実現された。
【００４０】
図６は本発明の第３実施例を示すスピンバルブトランジスタの構成図である。なお、従来のスピンバルブトランジスタの構成と同じ部分については、同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
【００４１】
図３に示す第１実施例に記載のＳＶＴ素子において、コレクタ電極に印加するバイアス電圧の増加とともに、「ショットキーバリアによる高エネルギー電子のフィルタ効果」が弱められる効果を減ずる、他の方法を示したものが、この実施例である。この実施例の図６の構造は、高濃度ドープ型ＧａＡｓ半導体基板４０２上に、ｎ型ＧａＡｓ層４１６、ｐ型ＧａＡｓからなるバッファ層４１４を順次積層したものである。
【００４２】
図６の構造で実現されるバンド構造を図７に示す。上記ｎ型ＧａＡｓ層４１６とバッファ層４１４の界面に形成されるｐｎ接合に、逆方向バイアスが与えられると、電界はｐｎ接合付近の空乏層に集中し、電子倍増機構を生じる。
【００４３】
そのため、第一の磁性体層２０２とｐ型ＧａＡｓ層４１４の界面付近のポテンシャル分布は大きな変動を受けることなく、大きな逆方向バイアスを印加することができ、大きな増倍機構が得られる。これによって、従来のＳＶＴ素子に比べ、１０倍以上の信号電流レベルが実現された。
【００４４】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００４６】
（Ａ）磁気抵抗変化の大幅な向上による信号レベルの減少を抑えて信号体雑音比を高めることができる。
【００４７】
（Ｂ）スピンバルブトランジスタの出力電流レベルを、従来のものから５倍乃至１０倍へと向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるスピンバルブトランジスタ素子の基本構成を示す断面図である。
【図２】  図２に示すスピンバルブトランジスタ素子のバンド構造を示す図である。
【図３】  本発明の第１実施例を示すスピンバルブトランジスタ素子の断面図である。
【図４】  本発明の第２実施例を示すスピンバルブトランジスタ素子の断面図である。
【図５】  図４に示すスピンバルブトランジスタ素子のバンド構造を示す図である。
【図６】  本発明の第３実施例を示すスピンバルブトランジスタ素子の断面図である。
【図７】  図６に示すスピンバルブトランジスタ素子のバンド構造を示す図である。
【図８】  従来のスピンバルブトランジスタ素子の断面図である。
【図９】  図８に示すスピンバルブトランジスタ素子のバンド構造を示す図である。
【符号の説明】
１００，１０２    第二の磁性体層
２００，２０２    第一の磁性体層
３００    トンネルバリア層
３０２    酸化アルミニウム層によるトンネルバリア層
４００    半導体基板（半導体層）
４０１    オーミックコンタクト領域
４０２    高濃度ドープｎ型ＧａＡｓ半導体基板
４１０    低濃度ドープ半導体層からなる増倍層
４１２    低濃度ドープ型ＧａＡｓによる増倍層
４１４    ｐ型ＧａＡｓからなるバッファ層
４１６    ｎ型ＧａＡｓ層
４２０    高濃度ドープｎ型ＧａＡｓからなるバッファ層
５１０    エミッタ電極
５３０    ベース電極
５５０，６５０    コレクタ電極
６１０    エミッタ電流
６３０    ベース電流
７１０    エミッタ電圧
７５０    コレクタ電圧
８００    外部磁界
ＨＥ    ホットエレクトロン
【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】
0004162888.tif 000008
【図８】
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【図９】
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