TOP > 国内特許検索 > スピンバルブトランジスタ > 明細書

明細書 :スピンバルブトランジスタ

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第4162888号 (P4162888)
公開番号 特開2003-188390 (P2003-188390A)
登録日 平成20年8月1日(2008.8.1)
発行日 平成20年10月8日(2008.10.8)
公開日 平成15年7月4日(2003.7.4)
発明の名称または考案の名称 スピンバルブトランジスタ
国際特許分類 H01L  29/82        (2006.01)
H01L  43/08        (2006.01)
FI H01L 29/82 Z
H01L 43/08 U
請求項の数または発明の数 5
全頁数 10
出願番号 特願2001-382827 (P2001-382827)
出願日 平成13年12月17日(2001.12.17)
審査請求日 平成16年10月14日(2004.10.14)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】503360115
【氏名又は名称】独立行政法人科学技術振興機構
【識別番号】301021533
【氏名又は名称】独立行政法人産業技術総合研究所
発明者または考案者 【氏名】佐藤 俊彦
【氏名】秋永 広幸
【氏名】本田 元就
【氏名】樽茶 清悟
【氏名】大野 圭司
【氏名】横山 浩
個別代理人の代理人 【識別番号】100089635、【弁理士】、【氏名又は名称】清水 守
審査官 【審査官】川村 裕二
参考文献・文献 特開2001-094172(JP,A)
特開平09-128719(JP,A)
特表2000-509208(JP,A)
特開平10-150232(JP,A)
調査した分野 H01L 29/82
H01L 43/08
H01L 27/105
H01L 29/68
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】
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
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5
【図7】
6
【図8】
7
【図9】
8