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JP2011187577A - Spin conducting element - Google Patents

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JP2011187577A
JP2011187577A JP2010049729A JP2010049729A JP2011187577A JP 2011187577 A JP2011187577 A JP 2011187577A JP 2010049729 A JP2010049729 A JP 2010049729A JP 2010049729 A JP2010049729 A JP 2010049729A JP 2011187577 A JP2011187577 A JP 2011187577A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spin conducting element applicable to a multichannel type. <P>SOLUTION: The spin conducting element includes a spin current source A, having a pinned layer provided in a semiconductor region of a semiconductor substrate 1; a spin current adsorption electrode B, having a free layer provided in the semiconductor region, a detection electrode PB1 provided in the semiconductor region to measure a voltage between the spin current adsorption electrode B and the detection electrode PB1; and a bias-applied electrode C, positioned between the spin current source A and the spin current adsorption electrode B in the semiconductor region and including a non-magnetic material to which a positive potential is applied, with respect to the spin current source A. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、磁気センサやMRAM(磁気抵抗ランダムアクセスメモリ)などに利用可能なスピン伝導素子に関する。   The present invention relates to a spin transport element that can be used in a magnetic sensor, an MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory), and the like.

従来、磁気ヘッド等で広く用いられている磁気抵抗素子(MR素子)が知られている。MR素子は、電子のスピンを利用している。電子がスピンを保持できるスピン拡散長は数十〜数百nm程度であるため、電子走行距離は、スピン拡散長以下にする必要がある。近年のMR素子は、積層された磁性層/非磁性層/磁性層からなる構造を有しており、層面に垂直な方向に電流を流すCPP(Current Perpendicular to Plane)構造を構成している。層厚を薄くする製造技術は確立しているため、積層方向に電子を流す構造の場合、各層の厚みを薄くすることで、電子走行距離を短くすることができる。   Conventionally, a magnetoresistive element (MR element) widely used in a magnetic head or the like is known. The MR element utilizes electron spin. Since the spin diffusion length in which electrons can hold spin is about several tens to several hundreds of nanometers, the electron travel distance needs to be less than or equal to the spin diffusion length. Recent MR elements have a structure comprising a laminated magnetic layer / non-magnetic layer / magnetic layer, and constitute a CPP (Current Perpendicular to Plane) structure in which current flows in a direction perpendicular to the layer surface. Since a manufacturing technique for reducing the layer thickness has been established, in the case of a structure in which electrons flow in the stacking direction, the electron travel distance can be shortened by reducing the thickness of each layer.

近年、積層技術のみでなく、横方向の微細構造作製技術が進歩し、面内において電流を流す構造においても、電子走行距離を、スピン拡散長以下にすることができるようになった。このような面内デバイスでは、2端子構造のデバイスのみならず、3端子以上の構造のデバイスの作製も容易であり、例えば、ソース電極とドレイン電極との間の領域に、ゲート電極を配置したスピントランジスタに応用することも可能となる。   In recent years, not only the lamination technology but also the lateral microstructure fabrication technology has advanced, and the electron travel distance can be made shorter than the spin diffusion length even in a structure in which current flows in the plane. In such an in-plane device, it is easy to produce not only a device having a two-terminal structure but also a device having a structure having three or more terminals. For example, a gate electrode is disposed in a region between a source electrode and a drain electrode. Application to spin transistors is also possible.

2端子のMR素子を面内に形成した磁気デバイスとして、局所構造及び非局所構造の磁気センサが考えられる。図22(a)は局所構造の磁気センサを示し、図22(b)は非局所構造の磁気センサを示している。   As a magnetic device in which a two-terminal MR element is formed in a plane, a magnetic sensor having a local structure and a non-local structure can be considered. FIG. 22A shows a magnetic sensor having a local structure, and FIG. 22B shows a magnetic sensor having a non-local structure.

図22(a)に示すように、局所構造の磁気センサでは、Cuなどの非磁性層2上の一箇所に強磁性体からなるピンド層(固定層)A’を配置し、これから離隔した非磁性層2上の他の箇所に強磁性体からなるフリー層B’を配置する。これにより、ピンド層A’とフリー層B’は非磁性層2を介して電気的に接続されたことになる。局所構造の磁気センサでは、電流源Jからの流れる電流Iは、フリー層B’、非磁性層2及びピンド層A’を順次介して流れる。電子の流れる向きは電流Iとは逆である。これにより、フリー層B’の受ける外部磁場に応じて、MR素子の抵抗値Rが変化し、MR素子の両端子を構成するピンド層A’とフリー層B’との間の電圧V(=I×R)が変化する。この電圧Vを電圧計Vによって、測定することで、外部磁場の大きさを測定することができる。   As shown in FIG. 22A, in the local structure magnetic sensor, a pinned layer (fixed layer) A ′ made of a ferromagnetic material is disposed at one location on the nonmagnetic layer 2 such as Cu, and is separated from the nonmagnetic layer 2. A free layer B ′ made of a ferromagnetic material is disposed at another location on the magnetic layer 2. As a result, the pinned layer A ′ and the free layer B ′ are electrically connected via the nonmagnetic layer 2. In the magnetic sensor having the local structure, the current I flowing from the current source J flows through the free layer B ', the nonmagnetic layer 2 and the pinned layer A' sequentially. The direction in which electrons flow is opposite to the current I. Thereby, the resistance value R of the MR element changes according to the external magnetic field received by the free layer B ′, and the voltage V (== between the pinned layer A ′ and the free layer B ′ constituting both terminals of the MR element. I × R) changes. By measuring this voltage V with a voltmeter V, the magnitude of the external magnetic field can be measured.

図22(b)に示すように、非局所構造の磁気センサは、一対の電極パッドPA1、PB1を備えており、電極パッドPA1、PB1はCuなどの非磁性層2を介して接続されている。非磁性層2上の一箇所に強磁性体からなるピンド層A’を配置し、これから離隔した非磁性層2上の他の箇所に強磁性体からなるフリー層B’を配置する。これにより、ピンド層A’とフリー層B’は非磁性層2を介して電気的に接続されたことになるが、非局所構造の磁気センサにおいては、電流の流れる経路と、電圧を測定する経路が異なっており、スピン流を用いるスピン蓄積型磁気センサを構成している。   As shown in FIG. 22B, the non-local structure magnetic sensor includes a pair of electrode pads PA1 and PB1, and the electrode pads PA1 and PB1 are connected via a nonmagnetic layer 2 such as Cu. . A pinned layer A ′ made of a ferromagnetic material is arranged at one location on the nonmagnetic layer 2, and a free layer B ′ made of a ferromagnetic material is arranged at another location on the nonmagnetic layer 2 spaced apart from the pinned layer A ′. As a result, the pinned layer A ′ and the free layer B ′ are electrically connected via the nonmagnetic layer 2. In the magnetic sensor having a non-local structure, the current path and voltage are measured. The path is different, and a spin accumulation type magnetic sensor using a spin current is configured.

スピン流に関しては幾つかの現象が知られている。例えば、上向きのスピン電子と下向きのスピン電子が互いに逆方向に同一量だけ流れる場合、電子の流れは相殺されるが、スピン流は発生している。すなわち、電子流が存在しない場合においてもスピン流は発生し、一領域内に電荷蓄積が行われる現象が存在する。このような現象は、スピン電子が蓄積された領域からスピン流が染み出していると捉えることもできる。   Several phenomena are known for spin current. For example, when upward spin electrons and downward spin electrons flow in the same amount in opposite directions, the flow of electrons cancels, but a spin current is generated. That is, even when there is no electron flow, a spin current is generated, and there is a phenomenon in which charge accumulation is performed in one region. Such a phenomenon can also be regarded as a spin current leaking out from a region where spin electrons are accumulated.

また、ピンド層A’に電流Iを流すことにより、ピンド層A’中でスピン流が発生する。ピンド層A’を通過した電子はフリー層B’内には流れ込まないため、ピンド層A’とフリー層B’との間のチャネル領域では電流がゼロである。スピン流は保存量であるため、ピンド層A’/非磁性層2の界面からスピン流が非磁性層2中にも染み出すと捉えることもできる。ピンド層A’/非磁性層2の界面近傍では、スピンの向きによって電子濃度が異なる領域が形成されており、このような現象はスピン蓄積と呼ばれている。   Further, by causing the current I to flow through the pinned layer A ′, a spin current is generated in the pinned layer A ′. Since electrons that have passed through the pinned layer A 'do not flow into the free layer B', the current is zero in the channel region between the pinned layer A 'and the free layer B'. Since the spin current is a conserved amount, it can be understood that the spin current also leaks into the nonmagnetic layer 2 from the pinned layer A ′ / nonmagnetic layer 2 interface. In the vicinity of the pinned layer A ′ / nonmagnetic layer 2 interface, regions having different electron concentrations are formed depending on the spin direction, and this phenomenon is called spin accumulation.

いずれにしても、スピン電子が非磁性層2中を流れる場合において、電子流とは別にスピン流が発生し、スピン流が流れている状態では、フリー層B’の磁化の向きに応じて、電圧が観察される。詳説すれば、ピンド層A’に流れる電子流によってピンド層A’中にスピン流が生成され,ピンド層A’/非磁性層2の界面付近にスピン蓄積が生じる。スピンが蓄積された領域からスピンが拡散してスピン流が発生し、このスピン流はフリー層B’が吸収する。このときフリー層B’とピンド層A’の磁化の向きの相対角度によって、フリー層B’の電位が変動し、非磁性層2とフリー層B’との間に電圧変化が発生する。この電圧変化を検出する。すなわち,フリー層B’の磁化の向きだけを外部磁化で変化させると、磁化の向きに応じた電圧Vが発生し、これをセンサ出力として検出することができる。   In any case, when spin electrons flow in the nonmagnetic layer 2, a spin current is generated separately from the electron current, and in the state where the spin current flows, depending on the magnetization direction of the free layer B ′, A voltage is observed. More specifically, a spin current is generated in the pinned layer A ′ by the electron current flowing in the pinned layer A ′, and spin accumulation occurs near the interface between the pinned layer A ′ / nonmagnetic layer 2. Spins are diffused from a region where spins are accumulated to generate a spin current, which is absorbed by the free layer B '. At this time, the potential of the free layer B 'varies depending on the relative angle between the magnetization directions of the free layer B' and the pinned layer A ', and a voltage change occurs between the nonmagnetic layer 2 and the free layer B'. This voltage change is detected. That is, when only the magnetization direction of the free layer B ′ is changed by external magnetization, a voltage V corresponding to the magnetization direction is generated and can be detected as a sensor output.

この電圧を測定することが、スピン蓄積型磁気センサの原理である。このような構造の場合、電圧測定経路内において電流が寄与していないため、精密な測定が期待される。上述のような原理の磁気センサ等への応用は、例えば、下記特許文献1,2に記載されている。これらのデバイスは注入電流を入力とし、外部磁場によるフリー層の電圧変化を出力としている。外部磁場或いはスピン注入によって、フリー層内の磁化の向きを書き込む構造とすると、このデバイスを磁気メモリとして機能させることができる。すなわち、図22(b)において、フリー層B’の正の磁化の向き及び負の磁化の向きを、それぞれ情報「1」又は情報「0」に対応づけておくと、記憶された情報は、センス用の電流Iを流すことで、書き込まれた情報を電圧として読み出すことができる。   Measuring this voltage is the principle of the spin accumulation type magnetic sensor. In the case of such a structure, since current does not contribute in the voltage measurement path, precise measurement is expected. The application of the above principle to a magnetic sensor or the like is described in, for example, Patent Documents 1 and 2 below. These devices use the injection current as input and output the voltage change in the free layer due to the external magnetic field. If the structure is such that the direction of magnetization in the free layer is written by an external magnetic field or spin injection, this device can function as a magnetic memory. That is, in FIG. 22B, when the positive magnetization direction and the negative magnetization direction of the free layer B ′ are associated with the information “1” or the information “0”, respectively, the stored information is By flowing a current I for sensing, written information can be read as a voltage.

上述の非局所構造によれば、スピン流だけを発生させ、これに伴うフリー層の磁化反転前後の電圧差を精度よく測定できるため、スピン流の定量的な評価手法として用いることができる。スピン流は、AMR(異方向性磁気抵抗)効果やジュール熱等に起因するノイズが極めて小さく、良質のスピン情報の伝達に向いている。上述のように、非局所構造のスピン伝導素子をデバイスに応用する試みが始まっており、例えば、特許文献1ではスピントランジスタ、特許文献2ではハードデイスク磁気再生ヘッドへの応用が開示されている。   According to the above-mentioned non-local structure, only the spin current is generated, and the voltage difference before and after the magnetization reversal of the free layer can be measured with high accuracy, so that it can be used as a quantitative evaluation method of the spin current. The spin current has very little noise due to the AMR (Asymmetric Magnetoresistive) effect and Joule heat, and is suitable for the transmission of high-quality spin information. As described above, an attempt has been made to apply a non-local structure spin conduction element to a device. For example, Patent Document 1 discloses an application to a spin transistor, and Patent Document 2 discloses an application to a hard disk magnetic reproducing head.

最近のスピン伝導デバイスの技術動向については、非特許文献1に記載されている。スピン流を用いたデバイスは、低ノイズ、かつ熱エネルギーの発生量が小さく、消費電力が低いことから、低電圧動作するデバイスに適しており、スピン情報の伝達に利用することができる。非特許文献1には、スピン流の発生及び検出機能を有する面内スピントロニクス素子の概念図が開示されている。このスピントロニクス素子では、スピン情報のミキシング、増幅、変調機能を持つ部位が、スピン流の伝導チャネルに接続されている。   Non-patent document 1 describes recent technical trends in spin transport devices. A device using a spin current is suitable for a device operating at a low voltage because of low noise, a small amount of heat energy generated, and low power consumption, and can be used for transmission of spin information. Non-Patent Document 1 discloses a conceptual diagram of an in-plane spintronic device having a spin current generation and detection function. In this spintronic device, a part having a function of mixing, amplifying and modulating spin information is connected to a conduction channel of spin current.

スピン伝導素子が実際に産業に利用される場合、できるだけ大きな出力電圧を得るため、磁性体と非磁性体チャネルの間にトンネル障壁を構成する絶縁膜を設けることが好ましい。これによって、磁性体と非磁性体チャネルとの界面での抵抗整合性が向上し、出力が大きくなる。   When the spin transport device is actually used in the industry, it is preferable to provide an insulating film that forms a tunnel barrier between the magnetic body and the non-magnetic channel in order to obtain as large an output voltage as possible. As a result, resistance matching at the interface between the magnetic material and the non-magnetic material channel is improved, and the output is increased.

この構造は、特許文献1,2のような金属チャネルを用いた場合のみならず、半導体領域を用いた場合にも適用することができる。非特許文献2ではGaAsチャネルを用いた例が示され、非特許文献3ではSiチャネルを用いた例が示されている。ただし、非特許文献2では、GaAsと金属磁性体の界面に形成されるショットキーバリアをトンネルさせることで、絶縁層に代えてトンネル障壁を実質的に形成している。   This structure can be applied not only when a metal channel is used as in Patent Documents 1 and 2, but also when a semiconductor region is used. Non-Patent Document 2 shows an example using a GaAs channel, and Non-Patent Document 3 shows an example using an Si channel. However, in Non-Patent Document 2, the tunnel barrier is substantially formed in place of the insulating layer by tunneling the Schottky barrier formed at the interface between GaAs and the metal magnetic material.

また、非特許文献4では、電場依存のスピン拡散と半導体内へのスピン注入が示されている。非特許文献4では、スピンが電場内でドリフトすることが示されており、スピンは以下のドリフト−拡散方程式(式(1))に従って進行する。nupはアップスピン電子濃度、ndownはダウンスピン電子濃度、λ=(Dτ)1/2は電場がゼロの場合のスピン拡散長、すなわち、真性スピン拡散長(D:スピン拡散係数、τ:スピン寿命)であり、eは電気素量、Eは電場、kはボルツマン定数、Tは絶対温度である。 Non-Patent Document 4 shows electric field-dependent spin diffusion and spin injection into a semiconductor. Non-Patent Document 4 shows that spin drifts in an electric field, and spin proceeds according to the following drift-diffusion equation (Equation (1)). n up is the up spin electron concentration, n down is the down spin electron concentration, λ N = (Dτ) 1/2 is the spin diffusion length when the electric field is zero, that is, the intrinsic spin diffusion length (D: spin diffusion coefficient, τ : Spin lifetime), e is the elementary electric charge, E is the electric field, k B is the Boltzmann constant, and T is the absolute temperature.

Figure 2011187577
Figure 2011187577

スピンの拡散自体は、従来、金属内において見出されており、拡散方程式で扱われていたが、非特許文献4では第2項に電場の項が付加された。この理論によれば、電場の影響は、実効的なスピン拡散長の変化として扱うことができ、電子のドリフト方向(down−stream)のスピン拡散長λは長くなり、その反対方向(up−stream) のスピン拡散長λは短くなる。なお、スピン拡散長は、式(2−1)、(2−2)で与えられる。Eが無限大の場合、式(2−1)及び式(2−2)は、それぞれ式(2−1−1)、(2−2−1)となる。なお、μをスピンの移動度とする。
Conventionally, spin diffusion itself has been found in metals and handled by the diffusion equation, but in Non-Patent Document 4, an electric field term is added to the second term. According to this theory, the influence of the electric field can be treated as a change in effective spin diffusion length, and the spin diffusion length λ d in the electron drift direction (down-stream) becomes longer and the opposite direction (up− The spin diffusion length λ u of stream is shortened. The spin diffusion length is given by equations (2-1) and (2-2). When E is infinite, Expressions (2-1) and (2-2) become Expressions (2-1-1) and (2-2-1), respectively. Note that μ is the spin mobility.

Figure 2011187577
Figure 2011187577

非特許文献5では、350μmの厚みを有するウェハであっても、電場を利用することでスピンが伝達できることを実験的に証明している。但し、この実験はホットエレクトロンを使ったスピン伝導に関するものである。   Non-Patent Document 5 experimentally proves that spin can be transmitted by using an electric field even for a wafer having a thickness of 350 μm. However, this experiment relates to spin conduction using hot electrons.

特開2004−186274号公報JP 2004-186274 A 特開2007−299467号公報JP 2007-299467 A

及川亨、「スピントロニクス技術調査研究報告書I」、社団法人・電子情報技術産業協会、2009年3月Satoshi Oikawa, “Spintronics Technology Research Report I”, Japan Electronics and Information Technology Industries Association, March 2009 XIAOHUA.Lou et al.、「Electrical detection of spin transport in lateral ferromagnet-semiconductor devices」(エレクトリカル・ディテクション・オブ・スピン・トランスポート・イン・ラテラル・フェロマグネット・セミコンダクター・デバイス)、Nature Physics(ネイチャー・フィジックス)、2007年3月、Vol.3、pp.197−202XIAOHUA. Lou et al. , "Electrical detection of spin transport in lateral ferromagnet-semiconductor devices", Nature 7 (Nature 7), Nature 7 Month, Vol. 3, pp. 197-202 O.M.J.van’t Erve et al.、「Electrical injection and detection of spin−polarized carriers in silicon in a lateral transport geometry」(エレクトリカル・インジェクション・アンド・ディテクション・オブ・スピン・ポーラライズド・キャリアズ・イン・シリコン・イン・ア・ラテラル・トランスポート・ジオメトリ)、Applied physics Letters(アプライド・フィジックス・レターズ),2007年6月、91,21210O. M.M. J. et al. van't Erve et al. , “Electrical injection and detection of spin-polarized carriers in silicon in a lateral transport geometry of spin-polarized silicon・ Geometry), Applied physics Letters (Applied Physics Letters), June 2007, 91,21210 Z.G.Yu、M.E.Flatte、「Electric−field dependent spin diffusion and spin injection into semiconductors」(エレクトリック・フィールド・デペンデント・スピン・ディフュージョン・アンド・スピン・インジェクション・イントウ・セミコンダクターズ)、 Physical Review(フィジカル・レビュー)、2002年11月14日、B66、201202(R)Z. G. Yu, M .; E. Flatte, “Electric-field dependent spin diffusion and spin injection into semiconductors” (Electric Field Dependent Spin Diffusion and Spin Injection Into Semiconductor), Rephysical 200 14th, B66, 201202 (R) Biqin Huang et al.、「Coherent Spin Transport through a 350 Micron Thick Silicon Wafer」(コヒーレント・スピン・トランスポート・スルー・ア・350ミクロン・シック・シリコン・ウェハ)、Physical Review Letters(フィジカル・レビュー・レターズ)、2007年10月26日、99、177209Biqin Huang et al. , "Coherent Spin Transport through a 350 Micron Thick Silicon Wafer" (Coherent Spin Transport Through a 350 Micron Thick Silicon Wafer), Physical Review Letters, 10 Years Physical Review Letters 10 26th, 99, 177209

しかしながら、素子機能を集積しようとする場合は、1つの信号を複数の電極に伝導するマルチチャネル型のスピン伝導素子を構成することが好ましい。ところが、単一のスピン流源から複数のスピン流吸収電極にスピン流を供給しようとした場合、真性スピン拡散長の上限は数μmであり、複数のスピン流吸収電極を配置するだけの物理的スペースを確保することができず、マルチチャネル型のスピン伝導素子を構成することができない。特に、1つのスピン流源の周囲に複数のスピン流吸収電極を配置した場合、スピン流は全方位に拡散して進行するため、1つのスピン流吸収電極に供給されるスピン流の大きさは著しく小さくなり、そのため、出力が小さくなってしまうという問題がある。したがって、従来はマルチチャネル型のスピン伝導素子は構成することができなかった。   However, when integrating device functions, it is preferable to configure a multichannel spin transport device that conducts one signal to a plurality of electrodes. However, when a spin current is to be supplied from a single spin current source to a plurality of spin current absorption electrodes, the upper limit of the intrinsic spin diffusion length is several μm, and the physical property is sufficient to arrange a plurality of spin current absorption electrodes. A space cannot be secured, and a multi-channel spin conduction element cannot be formed. In particular, when a plurality of spin current absorption electrodes are arranged around one spin current source, the spin current travels by diffusing in all directions, so the magnitude of the spin current supplied to one spin current absorption electrode is There is a problem that the output becomes extremely small, and therefore the output becomes small. Therefore, conventionally, a multi-channel type spin transport device could not be constructed.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、マルチチャネル型にも適用可能なスピン伝導素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a spin transport device applicable to a multi-channel type.

本発明は、上述の課題を解決するため、本発明に係るスピン伝導素子は、半導体領域と、前記半導体領域に設けられたピンド層を有するスピン流源と、前記半導体領域に設けられたフリー層を有するスピン流吸収電極と、前記半導体領域に設けられ、前記スピン流吸収電極との間の電圧を測定するための検出用電極と、前記半導体領域における前記スピン流源と前記スピン流吸収電極との間に位置し、前記スピン流源に対して正の電位が印加される非磁性体を含むバイアス印加電極と、を備えることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides a spin transport device according to the present invention comprising a semiconductor region, a spin current source having a pinned layer provided in the semiconductor region, and a free layer provided in the semiconductor region. A spin current absorption electrode, a detection electrode provided in the semiconductor region for measuring a voltage between the spin current absorption electrode, the spin current source and the spin current absorption electrode in the semiconductor region, And a bias application electrode including a non-magnetic material to which a positive potential is applied to the spin current source.

本発明に係るスピン伝導素子によれば、バイアス印加電極には、スピン流源に対して正の電位が印加されるので、スピン流源の直下に蓄積されたスピンは、この電位によって形成される電場にしたがって、バイアス印加電極の直下まで移動する。バイアス印加電極の直下からは、スピンが染み出して拡散し、スピン流吸収電極内部に吸収される。   According to the spin transport device according to the present invention, since the positive potential is applied to the bias application electrode with respect to the spin current source, the spin accumulated immediately below the spin current source is formed by this potential. It moves to just below the bias application electrode according to the electric field. From just below the bias application electrode, the spin is oozed out and diffused, and is absorbed into the spin current absorption electrode.

この際、スピン流吸収電極の磁化の向きと、スピン流源の上部に設けられたピンド層の磁化の向きの相対角度に応じて、スピン流吸収電極と検出用電極との間の電圧が異なる。このスピン伝導素子では、バイアス印加電極の存在によって、スピン流源から比較的遠くにこれを配置することができるので、複数のバイアス印加電極を配置するスペースが確保でき、したがって、これに隣接してスピン流吸収電極を配置し、マルチチャネル型のスピン伝導素子を実現することが可能となる。また、このスピン伝導素子をマルチチャネル型にしない場合においても、スペースの増大により設計の自由度が増加するため、各種の素子を集積していくことが可能となる。   At this time, the voltage between the spin current absorption electrode and the detection electrode differs depending on the relative direction of the magnetization direction of the spin current absorption electrode and the magnetization direction of the pinned layer provided above the spin current source. . In this spin transport device, the presence of the bias application electrode allows it to be disposed relatively far from the spin current source, so that a space for arranging a plurality of bias application electrodes can be secured, and therefore adjacent to this. It is possible to realize a multi-channel type spin transport element by arranging a spin current absorption electrode. Even when the spin transport device is not a multi-channel type, the design freedom increases due to the increase in space, so that various devices can be integrated.

また、本発明に係るスピン伝導素子は、前記スピン流吸収電極、前記検出用電極及びバイアス印加電極からなる電極群の数は複数であることを特徴とする。これらの電極群が複数である場合には、マルチチャネル型のスピン伝導素子を形成することができるため、単一のスピン源に対して複数の電圧検出部位を設けることができ、素子機能を集積することができる。   The spin transport device according to the present invention is characterized in that the number of electrode groups including the spin current absorption electrode, the detection electrode, and the bias application electrode is plural. In the case where there are a plurality of these electrode groups, a multi-channel type spin conduction element can be formed, so that a plurality of voltage detection parts can be provided for a single spin source, and the element functions are integrated. can do.

また、本発明に係るスピン伝導素子は、それぞれの前記バイアス印加電極に前記電位を与えるためのバイアス電源と、前記バイアス電源とそれぞれのバイアス印加電極との間に介在するスイッチと、を備え、それぞれの前記スイッチは、選択的に接続されることを特徴とする。すなわち、スイッチを選択的に接続することにより、単一のスピン流源から各バイアス印加電極に向けて流れるスピン流の密度の低下を抑制することができる。これにより、十分な量のスピン流をスピン流吸収電極に供給することができ、精密な電圧出力を得ることができる。     The spin transport device according to the present invention includes a bias power supply for applying the potential to each bias application electrode, and a switch interposed between the bias power supply and each bias application electrode, The switch is selectively connected. That is, by selectively connecting the switches, it is possible to suppress a decrease in the density of the spin current that flows from the single spin current source toward each bias application electrode. Thereby, a sufficient amount of spin current can be supplied to the spin current absorption electrode, and a precise voltage output can be obtained.

また、本発明に係るスピン伝導素子は、前記フリー層の磁化の向きを制御するための電流源と、前記スピン流吸収電極と前記バイアス印加電極との間の電圧を検出する電圧検出手段と、を備えることを特徴とする。前記フリー層の正負の磁化の向きを0,1の情報に対応づけておけば、フリー層は情報を記憶していることになる。この磁化の向きは、検出した電圧の大きさによって判定することができる。   Further, the spin transport device according to the present invention includes a current source for controlling the magnetization direction of the free layer, a voltage detection means for detecting a voltage between the spin current absorption electrode and the bias application electrode, It is characterized by providing. If the positive and negative magnetization directions of the free layer are associated with 0 and 1 information, the free layer stores information. The direction of this magnetization can be determined by the magnitude of the detected voltage.

また、本発明に係るスピン伝導素子は、前記半導体領域を含む半導体基板を備え、前記半導体基板における前記半導体領域の外側の領域の抵抗率は、前記半導体領域よりも高いことを特徴とする。この場合、スピン流は半導体領域内を選択的に流れるため、その流路の大きさを制限し、安定したスピン流の伝達を行うことができる。   The spin transport device according to the present invention includes a semiconductor substrate including the semiconductor region, and a resistivity of a region outside the semiconductor region in the semiconductor substrate is higher than that of the semiconductor region. In this case, since the spin current selectively flows in the semiconductor region, the size of the flow path is limited, and stable spin current can be transmitted.

本発明によれば、マルチチャネル型にも適用可能なスピン伝導素子を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a spin transport device applicable to a multi-channel type.

第1実施形態に係るスピン伝導素子の斜視図である。It is a perspective view of the spin transport device according to the first embodiment. 図1に示したスピン伝導素子のII−II矢印断面図である。It is II-II arrow sectional drawing of the spin transport element shown in FIG. 一例としてのスピン流源Aの断面図である。It is sectional drawing of the spin current source A as an example. 第2実施形態に係るスピン伝導素子の斜視図である。It is a perspective view of the spin transport device according to the second embodiment. フリー層の磁化の向きを制御する電流源J2を説明する図である。It is a figure explaining the current source J2 which controls the direction of magnetization of a free layer. フリー層の磁化の向きを制御する別のタイプの電流源J2を説明する図である。It is a figure explaining another type of current source J2 which controls the direction of magnetization of a free layer. スピン伝導素子を用いた磁気メモリの回路図である。It is a circuit diagram of a magnetic memory using a spin transport element. スピンの拡散の様子を示すグラフであり、横軸は位置を示し、縦軸はスピン濃度を示している。It is a graph which shows the mode of spin diffusion, the horizontal axis shows the position, and the vertical axis shows the spin concentration. 計算に用いられるスピン伝導素子の斜視図である。It is a perspective view of the spin transport element used for calculation. 電流とスピン拡散長との関係を示す図表である。It is a graph which shows the relationship between an electric current and spin diffusion length. 比較例Aに係るドリフト距離L1(μm)とスピン蓄積量(mV)との関係を示すグラフである。10 is a graph showing a relationship between a drift distance L1 (μm) and a spin accumulation amount (mV) according to Comparative Example A. 比較例Bに係るドリフト距離L1(μm)とスピン蓄積量(mV)との関係を示すグラフである。10 is a graph showing a relationship between a drift distance L1 (μm) and a spin accumulation amount (mV) according to Comparative Example B. 比較例Bに係るドリフト距離L1(μm)とスピン蓄積量(mV)との関係を示すグラフである。10 is a graph showing a relationship between a drift distance L1 (μm) and a spin accumulation amount (mV) according to Comparative Example B. 実施例Aに係るドリフト距離L1(μm)とスピン蓄積量(mV)との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the drift distance L1 (micrometer) which concerns on Example A, and spin accumulation amount (mV). 実施例Bに係るドリフト距離L1(μm)とスピン蓄積量(mV)との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the drift distance L1 (micrometer) which concerns on Example B, and spin accumulation amount (mV). 実施例Bに係るドリフト距離L1(μm)とスピン蓄積量(mV)との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the drift distance L1 (micrometer) which concerns on Example B, and spin accumulation amount (mV). 実施例Cに係るドリフト距離L1(μm)とスピン蓄積量(mV)との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the drift distance L1 (micrometer) which concerns on Example C, and spin accumulation amount (mV). 実施例Cに係るドリフト距離L1(μm)とスピン蓄積量(mV)との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the drift distance L1 (micrometer) which concerns on Example C, and spin accumulation amount (mV). バイアス電圧Vb(V)と出力電圧V(mV)のドリフト距離L1毎の関係を示す図表である。It is a graph which shows the relationship for every drift distance L1 of bias voltage Vb (V) and output voltage V (mV). バイアス電圧Vb(V)と出力電圧V(mV)のドリフト距離L1毎の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship for every drift distance L1 of bias voltage Vb (V) and output voltage V (mV). 比較例1に係るスピン伝導素子の断面図である。6 is a cross-sectional view of a spin transport device according to Comparative Example 1. FIG. 局所構造の磁気センサ(a)及び非局所構造の磁気センサ(b)を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the magnetic sensor (a) of a local structure, and the magnetic sensor (b) of a non-local structure.

以下、実施の形態に係るスピン伝導素子について説明する。なお、同一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。   Hereinafter, the spin transport device according to the embodiment will be described. Note that the same reference numerals are used for the same elements, and redundant description is omitted.

図1は、第1実施形態に係るスピン伝導素子の斜視図である。   FIG. 1 is a perspective view of the spin transport device according to the first embodiment.

このスピン伝導素子は、半導体基板1上に形成された複数の電極群PA1,PB1、A,B,Cを備えている。半導体基板1の表面領域を半導体領域とすると、この半導体領域には、これに接触した電極パッドPA1,電極パッド(検出用電極)PB1、ピンド層を有するスピン流源A、フリー層を有するスピン流吸収電極Bと、非磁性体を含むバイアス印加電極Cが設けられている。なお、図示の如く三次元直交座標系を設定し、半導体基板1の厚み方向をZ軸方向とし、電場−Eの印加方向をX軸方向、Z軸及びX軸の双方に垂直な方向をY軸方向とする。   The spin transport device includes a plurality of electrode groups PA1, PB1, A, B, and C formed on the semiconductor substrate 1. Assuming that the surface region of the semiconductor substrate 1 is a semiconductor region, the semiconductor region includes an electrode pad PA1, an electrode pad (detection electrode) PB1, a spin current source A having a pinned layer, and a spin current having a free layer. An absorption electrode B and a bias application electrode C including a nonmagnetic material are provided. As shown in the figure, a three-dimensional orthogonal coordinate system is set, the thickness direction of the semiconductor substrate 1 is the Z-axis direction, the application direction of the electric field -E is the X-axis direction, and the direction perpendicular to both the Z-axis and the X-axis is Y Axial direction.

スピン流源Aは、スピン流を発生する素子であり、非磁性金属からなる電極パッドPA1との間に電流源Jから電子が供給されることにより、スピン流源Aの直下の半導体領域内にスピンが蓄積される。スピン流源Aは、磁化の向きが固定された強磁性層PA2と、強磁性層PA2と半導体領域との間に介在するトンネル障壁層(絶縁層)A3を備えている。なお、電流源Jの極性は逆でも構わないが、図2のような極性の方が、スピン蓄積を大きくすることができるので好ましい。   The spin current source A is an element that generates a spin current. When electrons are supplied from the current source J to the electrode pad PA1 made of a nonmagnetic metal, the spin current source A enters the semiconductor region immediately below the spin current source A. Spins are accumulated. The spin current source A includes a ferromagnetic layer PA2 whose magnetization direction is fixed, and a tunnel barrier layer (insulating layer) A3 interposed between the ferromagnetic layer PA2 and the semiconductor region. The polarity of the current source J may be reversed, but the polarity as shown in FIG. 2 is preferable because the spin accumulation can be increased.

スピン流吸収電極Bは、磁化の向きを変えることが可能な強磁性層PB2と、強磁性層PB2と半導体領域との間に介在するトンネル障壁層(絶縁層)B3とを備えており、スピン流吸収電極Bと非磁性金属からなる検出用電極PB1との間の電圧Vは、電圧計Vによって計測することができる。この測定は、非局所測定である。なお、電圧計Vの符号は、便宜上、これによって計測される出力電圧Vと同一とした。   The spin current absorption electrode B includes a ferromagnetic layer PB2 capable of changing the direction of magnetization, and a tunnel barrier layer (insulating layer) B3 interposed between the ferromagnetic layer PB2 and the semiconductor region. The voltage V between the flow absorption electrode B and the detection electrode PB1 made of a nonmagnetic metal can be measured by a voltmeter V. This measurement is a non-local measurement. In addition, the code | symbol of the voltmeter V was made the same with the output voltage V measured by this for convenience.

バイアス印加電極Cは、非磁性体からなる金属層PCと、金属層PCと半導体領域との間に介在するトンネル障壁C3とを備えている。金属層PCはCuやAlなどの非磁性金属からなる。すなわち、バイアス印加電極Cを構成する金属層PCは、非磁性体である。なお、金属層PCが、磁性体からなる場合には、本来のスピン信号に、磁性体金属層PCからのスピン注入の信号がノイズとして重畳するので、好ましくない。バイアス印加電極Cは、半導体領域におけるスピン流源Aとスピン流吸収電極Bとの間に位置し、スピン流源Aに対して、バイアス電源Vbから正の電位(Vb)が印加される。なお、バイアス電源Vbの符号は、便宜上、これから出力される電圧Vbと同一とした。   The bias application electrode C includes a metal layer PC made of a non-magnetic material and a tunnel barrier C3 interposed between the metal layer PC and the semiconductor region. The metal layer PC is made of a nonmagnetic metal such as Cu or Al. That is, the metal layer PC constituting the bias application electrode C is a nonmagnetic material. When the metal layer PC is made of a magnetic material, it is not preferable because the spin injection signal from the magnetic metal layer PC is superimposed as noise on the original spin signal. The bias application electrode C is positioned between the spin current source A and the spin current absorption electrode B in the semiconductor region, and a positive potential (Vb) is applied to the spin current source A from the bias power source Vb. Note that the sign of the bias power supply Vb is the same as the voltage Vb to be output from now on for convenience.

上述の素子において、トンネル障壁層A3、B3、C3の材料としては、MgOが好適であるが、その他にも、Al、AlN、SiO、HfO、Zr、Cr、TiO、SrTiO、或いはZnO、MgAlOなどを用いることができる。また、同図では、トンネル障壁層A3、B3、C3は物理的に分離しているが、これは一体的に形成されていてもよい。 In the above-described element, MgO is suitable as a material for the tunnel barrier layers A3, B3, and C3. In addition, Al 2 O 3 , AlN, SiO 2 , HfO 2 , Zr 2 O 3 , Cr 2 O 3 , TiO 2 , SrTiO 3 , ZnO, MgAlO 2 , or the like can be used. In the figure, the tunnel barrier layers A3, B3, and C3 are physically separated, but may be integrally formed.

非磁性金属の材料としては、AlやCuを用いることができる。   As the material of the nonmagnetic metal, Al or Cu can be used.

半導体の材料としては、Si,Ge、GaAs、InAs又はInSbなどを用いることが可能である。   As a semiconductor material, Si, Ge, GaAs, InAs, InSb, or the like can be used.

強磁性体の材料としては、Fe、CoFe或いはNiFe等を使用することができる。強磁性層PA2の磁化の向きDMAは、同図ではY軸に平行であり、強磁性層PB2の磁化の向きDMBもY軸に平行又は反平行である。これらの磁化の向きは、各層のアスペクト比を大きくして、形状異方性を変更することで、制御することができるが、磁化の向きが固定された強磁性層PA2としては、反強磁性体を強磁性層に交換結合させることで、その磁化の向きを一方向に強く固定することができる。また、磁化の向きDMA,DMBは、X軸に平行或いは反平行とすることもできる。   As the ferromagnetic material, Fe, CoFe, NiFe, or the like can be used. The magnetization direction DMA of the ferromagnetic layer PA2 is parallel to the Y axis in the figure, and the magnetization direction DMB of the ferromagnetic layer PB2 is also parallel or antiparallel to the Y axis. These magnetization directions can be controlled by increasing the aspect ratio of each layer and changing the shape anisotropy. However, as the ferromagnetic layer PA2 in which the magnetization direction is fixed, the antiferromagnetism is used. By exchange-coupling the body to the ferromagnetic layer, the magnetization direction can be strongly fixed in one direction. Further, the magnetization directions DMA and DMB can be parallel or antiparallel to the X axis.

スピン流源Aとバイアス印加電極Cとの間には電圧Vbが印加されている。なお、この電圧Vbはスピン流源Aの電位をグランド電位とした場合の電圧である。電圧Vbの印加によって、スピン流減Aとバイアス印加電極Cとの間の半導体領域内には電場−Eが形成されている。電場−E内に置かれた電子は、電極Aから電極Cに向かう方向に力を受ける。   A voltage Vb is applied between the spin current source A and the bias application electrode C. The voltage Vb is a voltage when the potential of the spin current source A is set to the ground potential. By applying the voltage Vb, an electric field -E is formed in the semiconductor region between the spin current reduction A and the bias application electrode C. Electrons placed in the electric field -E receive a force in a direction from the electrode A toward the electrode C.

図2は、図1に示したスピン伝導素子のII−II矢印断面図である。
上述の各電極上には、電気的な接触を得るためのコンタクト層Gが設けられている。すなわち、電極パッドPA1,PB1、強磁性層PA1、金属層PC、強磁性層PB2の表面には、Alなどの金属からなるコンタクト層Gが形成されている。
2 is a cross-sectional view taken along the line II-II of the spin transport device shown in FIG.
A contact layer G for obtaining electrical contact is provided on each of the electrodes described above. That is, a contact layer G made of a metal such as Al is formed on the surfaces of the electrode pads PA1, PB1, the ferromagnetic layer PA1, the metal layer PC, and the ferromagnetic layer PB2.

スピン流源Aの直下の半導体領域(スピン蓄積領域R1)内には、電極パッドPA1及び半導体基板1の表面に位置する半導体領域を介して、電子流が流れ込み、一方の極性のスピンはトンネル障壁層A3を介して、強磁性層PA2に吸い込まれ、他方の極性のスピンは、スピン蓄積領域R1内に残留する。スピン蓄積領域R1内に蓄積されたスピンは、電場−Eにしたがって、ドリフト走行し、半導体基板1のスピン蓄積領域R2内に到達する。   An electron current flows into the semiconductor region (spin accumulation region R1) immediately below the spin current source A via the electrode pad PA1 and the semiconductor region located on the surface of the semiconductor substrate 1, and spins of one polarity are tunnel barriers. The spin of the other polarity is absorbed in the ferromagnetic layer PA2 through the layer A3, and remains in the spin accumulation region R1. The spin accumulated in the spin accumulation region R1 drifts according to the electric field -E and reaches the spin accumulation region R2 of the semiconductor substrate 1.

すなわち、バイアス印加電極Cには、スピン流源Aに対して正の電位Vbが印加されるので、スピン流源Aの直下の領域R1に蓄積されたスピンは、この電位Vbによって形成される電場−Eにしたがって、バイアス印加電極Cの直下まで移動する。バイアス印加電極Cの直下からは、スピンが染み出して拡散し、トンネル障壁層B3を介して、スピン流吸収電極B内部に吸収される。   That is, since the positive potential Vb is applied to the bias application electrode C with respect to the spin current source A, the spin accumulated in the region R1 immediately below the spin current source A is an electric field formed by this potential Vb. In accordance with −E, it moves to just below the bias application electrode C. From just below the bias application electrode C, the spin leaks and diffuses and is absorbed into the spin current absorption electrode B through the tunnel barrier layer B3.

この際、スピン流吸収電極Bの磁化の向きDMBと、スピン流源Aの上部に設けられた強磁性層PA2(ピンド層)の磁化の向きDMAの相対角度に応じて、スピン流吸収電極Bと検出用電極PB1との間の電圧Vが異なる。   At this time, the spin current absorption electrode B depends on the relative angle between the magnetization direction DMB of the spin current absorption electrode B and the magnetization direction DMA of the ferromagnetic layer PA2 (pinned layer) provided above the spin current source A. And the voltage V between the detection electrodes PB1 are different.

このスピン伝導素子では、バイアス印加電極Cの存在によって、スピン流源Aから比較的遠くにこれを配置することができるので、複数のバイアス印加電極Cを配置するスペースが確保でき、したがって、これに隣接してスピン流吸収電極Bを配置し、マルチチャネル型のスピン伝導素子を実現することが可能となる。また、このスピン伝導素子をマルチチャネル型にしない場合においても、スペースの増大により設計の自由度が増加するため、各種の素子を集積していくことが可能となる。   In this spin transport device, the presence of the bias application electrode C allows it to be disposed relatively far from the spin current source A, so that a space for arranging a plurality of bias application electrodes C can be secured, and therefore By arranging the spin current absorption electrode B adjacent to each other, it becomes possible to realize a multi-channel type spin transport device. Even when the spin transport device is not a multi-channel type, the design freedom increases due to the increase in space, so that various devices can be integrated.

なお、電極PA1と電極Aとの間の距離をL0、電極Aと電極Cとの間の距離をL1,電極Cと電極Bとの間の距離をL2、電極Bと電極PB1との間の距離をL3とする。本例では、距離L0は10μm、L1は30μm、L2は500nm,L3は30μmとする。なお、距離L1は、電場がゼロの場合の真性スピン拡散長λよりも長く設定されている。すなわち、本発明では、バイアスの印加によって、スピン拡散長λは、これより長いスピンドリフト距離まで延長されている。 Note that the distance between the electrode PA1 and the electrode A is L0, the distance between the electrode A and the electrode C is L1, the distance between the electrode C and the electrode B is L2, and the distance between the electrode B and the electrode PB1. Let the distance be L3. In this example, the distance L0 is 10 μm, L1 is 30 μm, L2 is 500 nm, and L3 is 30 μm. The distance L1 is set longer than the intrinsic spin diffusion length λ N when the electric field is zero. That is, in the present invention, the spin diffusion length λ N is extended to a longer spin drift distance by applying a bias.

図3は、一例としてのスピン流源Aの断面図である。   FIG. 3 is a cross-sectional view of a spin current source A as an example.

半導体基板1上には、トンネル障壁層A3を介して、ピンド層(強磁性層PA21、非磁性層PA22、強磁性層PA23)と、反強磁性層PA24とが順次形成されており、シンセティック・フェリマグネティック層を構成している。強磁性層PA21、PA23の一例としてはCoFe、非磁性層PA22としてはRu、反強磁性層PA24としてはPtMnを上げることができる。非磁性層PA22としてはCuなどを用いることも可能である。また、反強磁性体としては、IrMn、RuRhMn、PtPdMnなどが知られている。   A pinned layer (ferromagnetic layer PA21, nonmagnetic layer PA22, ferromagnetic layer PA23) and an antiferromagnetic layer PA24 are sequentially formed on the semiconductor substrate 1 via a tunnel barrier layer A3. A ferrimagnetic layer is formed. As an example of the ferromagnetic layers PA21 and PA23, CoFe, Ru as the nonmagnetic layer PA22, and PtMn as the antiferromagnetic layer PA24 can be raised. Cu or the like can also be used as the nonmagnetic layer PA22. As antiferromagnetic materials, IrMn, RuRhMn, PtPdMn and the like are known.

図4は、第2実施形態に係るスピン伝導素子の斜視図である。   FIG. 4 is a perspective view of the spin transport device according to the second embodiment.

このスピン伝導素子では、前述のスピン流吸収電極B、検出用電極PB1及びバイアス印加電極Cからなる電極群の数は複数であり、本例では3つのスピン流チャネルが形成さている。すなわち、これらの電極群が複数である場合には、マルチチャネル型のスピン伝導素子を形成することができるため、単一のスピン源Aに対して複数の電圧検出部位(B,PB1,V)を設けることができ、素子機能を集積することができる。   In this spin transport device, the number of electrode groups including the above-described spin current absorption electrode B, detection electrode PB1, and bias application electrode C is plural, and three spin current channels are formed in this example. That is, when there are a plurality of these electrode groups, a multi-channel type spin conduction element can be formed, and therefore, a plurality of voltage detection sites (B, PB1, V) for a single spin source A. Can be provided, and device functions can be integrated.

また、本例のスピン伝導素子は、半導体基板に1おける表面の半導体領域をチャネルCH0〜CH3として周囲から隔離している。すなわち、チャネルCH0〜CH3の外側の領域INSの抵抗率は、チャネルCH0〜CH3内の半導体領域の抵抗率よりも高い。好ましくは、領域INSは、半導体を参加することで形成した絶縁体領域とすることができる。また、チャネルCH0〜CH3内の半導体領域は、領域INS内よりも不純物濃度を増加させることで低抵抗率にしてもよい。これらの場合、スピン流はチャネルCH0〜CH3の半導体領域内を選択的に流れるため、その流路の大きさを制限し、安定したスピン流の伝達を行うことができる。   In the spin transport device of this example, the semiconductor region on one surface of the semiconductor substrate is isolated from the surroundings as channels CH0 to CH3. That is, the resistivity of the region INS outside the channels CH0 to CH3 is higher than the resistivity of the semiconductor regions in the channels CH0 to CH3. Preferably, the region INS can be an insulator region formed by joining a semiconductor. The semiconductor regions in the channels CH0 to CH3 may have a lower resistivity by increasing the impurity concentration than in the region INS. In these cases, since the spin current selectively flows in the semiconductor regions of the channels CH0 to CH3, the size of the flow path is limited and stable spin current can be transmitted.

なお、チャネルCH0は電極PA1と電極Aとの間の半導体領域に形成され、チャネルCH1〜CH3は電極Aと電極C,B,電極PB1との間の半導体領域に形成されている。なお、電極Aから電極Cまでのスピン流の走行経路は実質的に等しくなるように設定されている。なお、チャネルCH0〜CH3を形成しない場合においても、スピン伝導デバイスは動作する。   The channel CH0 is formed in the semiconductor region between the electrode PA1 and the electrode A, and the channels CH1 to CH3 are formed in the semiconductor region between the electrode A and the electrodes C, B, and PB1. The traveling paths of the spin current from the electrode A to the electrode C are set to be substantially equal. Even when the channels CH0 to CH3 are not formed, the spin transport device operates.

また、それぞれのバイアス印加電極Cには、第1実施形態と同様に、電位Vbを与えるためのバイアス電源Vbが設けられており、バイアスの印加の有無は、バイアス電源Vbとバイアス印加電極Cとの間にそれぞれ介在するスイッチSWによって制御する構成となっている。それぞれのスイッチSWは、制御回路CONTからの制御信号φ1、φ2、φ3に応じて、選択的に接続される。すなわち、スイッチSWを選択的に接続することにより、単一のスピン流源Aから各バイアス印加電極Cに向けて流れるスピン流の密度の低下を抑制することができる。これにより、十分な量のスピン流を目的のスピン流吸収電極Bに供給することができ、精密な電圧出力Vを得ることができる。もちろん、スピン流の量が、複数の出力Vを得るのに十分であれば、同時にONするスイッチSWの数を増加させてもよい。   Each bias application electrode C is provided with a bias power supply Vb for applying a potential Vb, as in the first embodiment, and whether or not a bias is applied is determined by the bias power supply Vb, the bias application electrode C, and the like. It is configured to be controlled by a switch SW interposed between the two. Each switch SW is selectively connected according to control signals φ1, φ2, and φ3 from the control circuit CONT. That is, by selectively connecting the switches SW, it is possible to suppress a decrease in the density of the spin current flowing from the single spin current source A toward each bias application electrode C. Thereby, a sufficient amount of spin current can be supplied to the target spin current absorption electrode B, and a precise voltage output V can be obtained. Of course, if the amount of spin current is sufficient to obtain a plurality of outputs V, the number of switches SW that are simultaneously turned on may be increased.

また、第2実施形態のスピン伝導素子は、スピン流吸収電極Bと検出用電極PB1との間の電圧を検出する電圧計(電圧検出手段)Vの他に、強磁性層(フリー層)PB2の磁化の向きDMBを制御するための電流源J2を備えている(図5、図6参照)。この電流源J2は、第1実施形態においても設けることができる。   Further, the spin transport device of the second embodiment has a ferromagnetic layer (free layer) PB2 in addition to a voltmeter (voltage detection means) V that detects a voltage between the spin current absorption electrode B and the detection electrode PB1. Is provided with a current source J2 for controlling the magnetization direction DMB (see FIGS. 5 and 6). This current source J2 can also be provided in the first embodiment.

フリー層の正負の磁化の向きを0,1の情報に対応づけておけば、フリー層は情報を記憶していることになる。この磁化の向きは、検出した電圧Vの大きさによって判定することができる。   If the direction of positive and negative magnetization of the free layer is associated with 0, 1 information, the free layer stores information. The direction of this magnetization can be determined by the magnitude of the detected voltage V.

図5は、フリー層の磁化の向きを制御する電流源J2を説明する図である。   FIG. 5 is a diagram illustrating the current source J2 that controls the direction of magnetization of the free layer.

電流源J2は、制御信号φsに応じて、その電流の向きを変えることができる。もちろん、制御信号φsは、電流(電子流)の供給停止を電流源J2に指示することもできる。チャネルCH1(CH2,CH3)には、補助チャネルCHβが連続しており、補助電極Fが形成されている。補助電極Fは、補助チャネルCHβ内の半導体基板1上に形成されたトンネル障壁層F3と、トンネル障壁層F3上に形成された強磁性層PF2とを備えており、強磁性層PF2はピンド層を含み、磁化の向きが固定されている。   The current source J2 can change the direction of the current according to the control signal φs. Of course, the control signal φs can also instruct the current source J2 to stop supplying current (electron current). The auxiliary channel CHβ is continuous with the channel CH1 (CH2, CH3), and the auxiliary electrode F is formed. The auxiliary electrode F includes a tunnel barrier layer F3 formed on the semiconductor substrate 1 in the auxiliary channel CHβ, and a ferromagnetic layer PF2 formed on the tunnel barrier layer F3. The ferromagnetic layer PF2 is a pinned layer. The direction of magnetization is fixed.

換言すれば、補助電極Fの構造は、スピン流源(電極)Aの構造と同一であり、その構成材料もスピン流源Aと同一である。電流源J2から一方向に流れ出た電子流は、補助電極F内に入り、半導体基板1のチャネルCHβ内を通って、電極BのCoFeなどからなる強磁性層(フリー層)PB2内に入る。フリー層PB2の磁化の向きDMBは、注入されたスピンの向きに揃う。したがって、この場合には、ピンド層の磁化の向きDMFとフリー層の磁化の向きDMBが等しくなる。   In other words, the structure of the auxiliary electrode F is the same as that of the spin current source (electrode) A, and its constituent material is also the same as that of the spin current source A. The electron flow flowing out in one direction from the current source J2 enters the auxiliary electrode F, passes through the channel CHβ of the semiconductor substrate 1, and enters the ferromagnetic layer (free layer) PB2 made of CoFe or the like of the electrode B. The magnetization direction DMB of the free layer PB2 is aligned with the direction of the injected spin. Therefore, in this case, the magnetization direction DMF of the pinned layer is equal to the magnetization direction DMB of the free layer.

電流源J2から逆方向に電子流を出力した場合、これは電極Bを介して、その一部のスピンが電極Fのピンド層内に入り、ピンド層内に入れない向きのスピンがフリー層内に残留する。すなわち、この場合には、ピンド層の磁化の向きDMFとフリー層の磁化の向きDMBが反対になる。このように、フリー層へのスピン注入磁化反転現象を用いることにより、電流源J2から出力される電子流を用いて、フリー層の磁化の向きDMBを制御することができる。   When an electron current is output in the reverse direction from the current source J2, this is because some of the spins enter the pinned layer of the electrode F via the electrode B, and spins in a direction not entering the pinned layer are in the free layer. To remain. That is, in this case, the magnetization direction DMF of the pinned layer is opposite to the magnetization direction DMB of the free layer. Thus, by using the spin injection magnetization reversal phenomenon to the free layer, the magnetization direction DMB of the free layer can be controlled using the electron flow output from the current source J2.

図6は、フリー層の磁化の向きを制御する別のタイプの電流源J2を説明する図である。   FIG. 6 is a diagram for explaining another type of current source J2 for controlling the magnetization direction of the free layer.

電流源J2は、制御信号φsに応じて、その電流の向きを変えることができる。もちろん、制御信号φsは、電流(電子流)の供給停止を電流源J2に指示することもできる。電流が電流源J2から出力されると、その電流伝達経路である配線Wの周囲に電場E2が形成される。配線E2はフリー層の近傍を通って延びており、周辺電場E2の向きが磁化の向きDMBに一致するように配置されている。電場E2の向きにフリー層の磁化の向きDMBは揃うことになる。電流の向きを変えることで、磁化の向きDMBを変更することができる。   The current source J2 can change the direction of the current according to the control signal φs. Of course, the control signal φs can also instruct the current source J2 to stop supplying current (electron current). When a current is output from the current source J2, an electric field E2 is formed around the wiring W that is the current transmission path. The wiring E2 extends through the vicinity of the free layer, and is arranged so that the direction of the peripheral electric field E2 coincides with the magnetization direction DMB. The direction of magnetization DMB of the free layer is aligned with the direction of the electric field E2. By changing the direction of the current, the magnetization direction DMB can be changed.

以上、説明したフリー層の磁化の向きDMBの制御は、情報の書き込みに相当する。すなわち、磁化の向きDMBを0,1の情報に対応づけて、フリー層内に書き込み、スイッチSWをONすることで、スピン流をフリー層に供給し、このときの電圧Vを測定することにより、書き込まれた情報を読み出すことができる。   The control of the magnetization direction DMB of the free layer described above corresponds to information writing. That is, the magnetization direction DMB is associated with the information of 0, 1 and written in the free layer, the switch SW is turned on to supply the spin current to the free layer, and the voltage V at this time is measured. The written information can be read out.

図7は、上述のスピン伝導素子を用いた磁気メモリの回路図である。   FIG. 7 is a circuit diagram of a magnetic memory using the above-described spin transport element.

上述のスピン蓄積領域R1をスピン流源SSとし、これと上述のバイアス印加電極Cとの間の半導体領域を符号DRIFTで示すとすると、スイッチSWをONすることでバイアス電圧Vbを印加すると、半導体領域DRIFT内に電場−Eが形成され、スピン流源SSから、バイアス印加電極Cに向けてスピン流がドリフト走行して流れ、ここからスピン流が拡散して、スピン流吸収電極B内に流れ込み、スピン流吸収電極B内の磁化の向きに応じた電圧Vが、電極Bと電極PB1との間で計測され、計測された出力電圧Vは制御回路CONTに入力される。   Assuming that the above-described spin accumulation region R1 is the spin current source SS and the semiconductor region between the spin accumulation region R1 and the above-described bias application electrode C is denoted by the symbol DRIFT, when the bias voltage Vb is applied by turning on the switch SW, the semiconductor An electric field -E is formed in the region DRIFT, the spin current drifts from the spin current source SS toward the bias application electrode C, flows, and the spin current diffuses from here and flows into the spin current absorption electrode B The voltage V corresponding to the direction of magnetization in the spin current absorption electrode B is measured between the electrode B and the electrode PB1, and the measured output voltage V is input to the control circuit CONT.

制御回路CONTからの制御信号φsに応じて、電流源J2が制御され、スピン流吸収電極Bの磁化の向き(DMB:図5、図6参照)が制御される。また、制御回路CONTから、制御信号φ1〜φ3がスイッチSWに入力されることで、スピン流のバイアス印加電極Cへの供給の有無が制御される。このように、磁気メモリでは、制御信号φsによって情報の書き込みが行われ、制御信号φ1〜φ3によって書き込まれた情報の読出しが行われる。   The current source J2 is controlled in accordance with the control signal φs from the control circuit CONT, and the magnetization direction (DMB: see FIGS. 5 and 6) of the spin current absorption electrode B is controlled. Further, whether or not the spin current is supplied to the bias application electrode C is controlled by inputting the control signals φ1 to φ3 from the control circuit CONT to the switch SW. Thus, in the magnetic memory, information is written by the control signal φs, and information written by the control signals φ1 to φ3 is read.

図8は、スピンの拡散の様子を示すグラフであり、横軸は位置を示し、縦軸はスピン濃度を示している。   FIG. 8 is a graph showing the state of spin diffusion, where the horizontal axis indicates the position and the vertical axis indicates the spin concentration.

実効的なスピン拡散長は、重心についての拡散とドリフト距離を同時に含むものであり、これを用いることで、電場がかかった状態でのスピン伝導を、従来の金属素子の設計手法で行うことができる。電場がゼロの場合、時間tの経過に伴って、スピンは(a)のように拡散し、初期位置を中心とした正規分布の中心におけるスピン濃度が低下していく。   The effective spin diffusion length includes diffusion and drift distance about the center of gravity at the same time. By using this, spin conduction in the state where an electric field is applied can be performed by the conventional design method of metal elements. it can. When the electric field is zero, as time t elapses, the spin diffuses as shown in (a), and the spin concentration at the center of the normal distribution centering on the initial position decreases.

一方、電場の存在する状態では、同様に、正規分布の中心におけるスピン濃度が低下するが、同時に、速度vに時間tを乗じた距離xだけ、正規分布の中心位置が移動し、実効的なスピン拡散長が延びることになる(b)。   On the other hand, in the presence of an electric field, similarly, the spin concentration at the center of the normal distribution decreases, but at the same time, the center position of the normal distribution moves by a distance x obtained by multiplying the velocity v by the time t. The spin diffusion length is extended (b).

ドリフトの様子を具体的に調べるために、チャネル中のスピン蓄積の分布を上述の実効的スピン拡散長を用いて計算した。図9は、計算に用いられるスピン伝導素子の斜視図である。半導体基板1の一端にスピン流源Aを配置し、他方端にバイアス印加電極Bを配置し、これらの電極間距離をL1とし、これらの間にバイアス電圧Vbを印加した。これにより、半導体基板1の内部には電場−Eが発生し、電極Bの直下にはスピン蓄積領域R2が形成される。電極幅を20μm、スピン伝導に寄与する半導体基板1の厚みを100nmとした。   In order to specifically investigate the state of drift, the distribution of spin accumulation in the channel was calculated using the above-described effective spin diffusion length. FIG. 9 is a perspective view of a spin transport element used for calculation. A spin current source A was disposed at one end of the semiconductor substrate 1, a bias application electrode B was disposed at the other end, a distance between these electrodes was L1, and a bias voltage Vb was applied therebetween. As a result, an electric field -E is generated inside the semiconductor substrate 1, and a spin accumulation region R2 is formed immediately below the electrode B. The electrode width was 20 μm, and the thickness of the semiconductor substrate 1 contributing to spin conduction was 100 nm.

図10は、電流とスピン拡散長との関係を示す図表である。   FIG. 10 is a chart showing the relationship between current and spin diffusion length.

半導体基板1はSiからなり、Siの抵抗率ρは1×10−3Ωcm、スピン抵抗40Ω、真性スピン拡散長λは2μm、強磁性体とSiとの抵抗比(R/RSi)=10とし、トンネル障壁を介して電子流が流れることとした。また、スピン分極率を0.5として計算を行った。このような強磁性体としてはFeやNiFeがある。 The semiconductor substrate 1 is made of Si. The resistivity ρ of Si is 1 × 10 −3 Ωcm, the spin resistance is 40Ω, the intrinsic spin diffusion length λ N is 2 μm, and the resistance ratio between the ferromagnetic material and Si (R F / R Si ). = 10, and the electron flow flows through the tunnel barrier. The calculation was performed with the spin polarizability set to 0.5. Such ferromagnetic materials include Fe and NiFe.

スピン拡散長λd(μm)は電流(μA)(電圧Vb)が大きくなるに従って、長くなるなり、1mA(1000μA)では、無バイアスのときの真性スピン拡散長λの10倍を超えることになる。なお、逆方向のスピン拡散長λu(μm)は電流(μA)(電圧Vb)が大きくなるに従って、短くなる。 Spin diffusion length .lambda.d ([mu] m) in accordance with current (.mu.A) (voltage Vb) is increased, Nari longer, in 1mA (1000μA), will exceed 10 times the intrinsic spin diffusion length lambda N when the non-bias . The reverse spin diffusion length λu (μm) decreases as the current (μA) (voltage Vb) increases.

なお、上述のバイアス印加電極Cを構成する金属層PCは、現実的な適用として、非磁性体であることが必要である。すなわち、バイアス印加電極の金属層PCを強磁性体とした場合、この電極からもスピンが半導体内に注入され、ドリフトして蓄積されたスピンに、別途、強磁性体金属層PCから注入されたスピンが重畳してしまう。これは本来の信号に対するノイズになるため、好ましくない。なお、比較例として、金属層PCを強磁性体としたものについて、図11〜図13を用いて、説明しておく。   Note that the metal layer PC constituting the bias application electrode C described above needs to be a non-magnetic material as a practical application. That is, when the metal layer PC of the bias application electrode is made of a ferromagnetic material, spins are also injected into the semiconductor from this electrode, and spins accumulated by drifting are separately injected from the ferromagnetic metal layer PC. Spins are superimposed. This is not preferable because it causes noise with respect to the original signal. A comparative example in which the metal layer PC is made of a ferromagnetic material will be described with reference to FIGS.

図11は、比較例Aに係るドリフト距離L1(μm)とスピン蓄積量Vs(mV)との関係を示すグラフである。   FIG. 11 is a graph showing the relationship between the drift distance L1 (μm) and the spin accumulation amount Vs (mV) according to Comparative Example A.

比較例Aでは、バイアス印加電極Cを構成する金属層PC(図2参照)が強磁性体であるとし、ピンド層と金属層PCの磁化の向きは平行であるとする。L1が1μmの場合、バイアス電圧Vbを0.5mV,1mV,2.5mV,3.5mV,5mVと変化させ、それぞれの場合に電流源J(図2参照)から供給される電流を100μA,200μA,500μA,700μA,1mAとする。L1が0μmの場合と、1μmの場合において、出力Vsの符号が変化している。これは、強磁性体金属層PCから注入されたスピンが重畳することで、本来の信号より大きなノイズが発生することを意味している。本来の信号は符号が正である。ノイズ成分と信号成分とは符号が逆であり、符号が負に変化しているということは、ノイズ成分が信号成分よりも大きくなっていることを示している。   In Comparative Example A, it is assumed that the metal layer PC (see FIG. 2) constituting the bias application electrode C is a ferromagnetic material, and the magnetization directions of the pinned layer and the metal layer PC are parallel. When L1 is 1 μm, the bias voltage Vb is changed to 0.5 mV, 1 mV, 2.5 mV, 3.5 mV, and 5 mV, and in each case, the current supplied from the current source J (see FIG. 2) is 100 μA and 200 μA. , 500 μA, 700 μA, and 1 mA. The sign of the output Vs changes when L1 is 0 μm and 1 μm. This means that a larger noise than the original signal is generated by superimposing spins injected from the ferromagnetic metal layer PC. The original signal has a positive sign. The sign of the noise component and that of the signal component are opposite, and the sign changes to a negative value indicates that the noise component is larger than the signal component.

図12は、比較例Bに係るドリフト距離L1(μm)とスピン蓄積量Vs(mV)との関係を示すグラフであり(L1が100μmの場合)、図13は、ドリフト距離L1(μm)とスピン蓄積量(mV)との関係を示すグラフ(L1が100μm付近の拡大グラフ)である。   FIG. 12 is a graph showing the relationship between the drift distance L1 (μm) and the spin accumulation amount Vs (mV) according to Comparative Example B (when L1 is 100 μm), and FIG. 13 shows the drift distance L1 (μm). It is a graph (L1 is an enlarged graph around 100 μm) showing the relationship with the spin accumulation amount (mV).

上記と同様に、比較例Bでは、バイアス印加電極Cを構成する金属層PC(図2参照)が強磁性体であるとし、ピンド層と金属層PCの磁化の向きは平行であるとする。L1が100μmの場合、バイアス電圧Vbを50mV,100mV,250mV、350mV,500mVと変化させ、それぞれの場合に電流源J(図2参照)から供給される電流を100μA,200μA,500μA,700μA,1mAとする。L1が0μmの場合と、100μmの場合において、出力Vsの符号が変化しており、上記と同様に、ノイズ成分が信号成分よりも大きくなっていることを示している。   Similarly to the above, in Comparative Example B, it is assumed that the metal layer PC (see FIG. 2) constituting the bias application electrode C is a ferromagnetic material, and the magnetization directions of the pinned layer and the metal layer PC are parallel. When L1 is 100 μm, the bias voltage Vb is changed to 50 mV, 100 mV, 250 mV, 350 mV, and 500 mV. In each case, the current supplied from the current source J (see FIG. 2) is 100 μA, 200 μA, 500 μA, 700 μA, 1 mA. And When L1 is 0 μm and 100 μm, the sign of the output Vs changes, indicating that the noise component is larger than the signal component as described above.

図14は、実施例Aに係るドリフト距離L1(μm)とスピン蓄積量Vs(mV)との関係を示すグラフである。   FIG. 14 is a graph showing the relationship between the drift distance L1 (μm) and the spin accumulation amount Vs (mV) according to Example A.

実施例Aではバイアス印加電極Cを構成する金属層PC(図2参照)が非磁性体(Al)であるとする。L1が1μmの場合、バイアス電圧Vbを0.5mV,1mV,2.5mV,3.5mV,5mVと変化させ、それぞれの場合に電流源J(図2参照)から供給される電流を100μA,200μA,500μA,700μA,1mAとすると、L1が1μmの位置でも、スピンが蓄積されていることがわかる。もちろん、バイアス電圧Vbが大きいほどスピン蓄積量は大きい。金属層PCは非磁性体からなるため、そこからのスピン注入ノイズは無く、純粋にドリフトしてきたスピンが信号成分として走行の終点位置に蓄積している。従って出力Vsの符号の変化はなく、常に正であり、図11〜図13に示した比較例A,Bのものよりも優れた信号伝達特性を有している。   In Example A, it is assumed that the metal layer PC (see FIG. 2) constituting the bias application electrode C is a nonmagnetic material (Al). When L1 is 1 μm, the bias voltage Vb is changed to 0.5 mV, 1 mV, 2.5 mV, 3.5 mV, and 5 mV. In each case, the current supplied from the current source J (see FIG. 2) is 100 μA and 200 μA. , 500 μA, 700 μA, and 1 mA, it can be seen that spin is accumulated even at a position where L1 is 1 μm. Of course, the larger the bias voltage Vb, the larger the spin accumulation amount. Since the metal layer PC is made of a non-magnetic material, there is no spin injection noise from the metal layer PC, and purely drifting spins are accumulated as signal components at the travel end point. Therefore, there is no change in the sign of the output Vs, and it is always positive, and has a signal transmission characteristic superior to that of Comparative Examples A and B shown in FIGS.

図15は、実施例Bに係るドリフト距離L1(μm)とスピン蓄積量Vs(mV)との関係を示すグラフであり(L1が30μmの場合)、図16は、ドリフト距離L1(μm)とスピン蓄積量(mV)との関係を示すグラフ(L1が30μm付近の拡大グラフ)である。   FIG. 15 is a graph showing the relationship between the drift distance L1 (μm) and the spin accumulation amount Vs (mV) according to Example B (when L1 is 30 μm), and FIG. 16 shows the drift distance L1 (μm). It is a graph (L1 is an expansion graph around 30 μm) showing the relationship with the spin accumulation amount (mV).

実施例Bではバイアス印加電極Cを構成する金属層PC(図2参照)が非磁性体(Al)であるとする。L1が30μmの場合、バイアス電圧Vbを15mV,30mV,75mV,105mV,150mVと変化させ、それぞれの場合に電流源J(図2参照)から供給される電流を100μA、200μA、500μA、700μA、1mAとすると、L1が30μmの位置でも、スピンが蓄積されていることがわかる。なお、図16では電流が500μA以下ではVsは略零である。もちろん、バイアス電圧Vbが大きいほどスピン蓄積量は大きい。金属層PCは非磁性体からなるため、そこからのスピン注入ノイズは無く、純粋にドリフトしてきたスピンが信号成分として走行の終点位置に蓄積している。従って出力Vsの符号の変化はなく、常に正であり、図11〜図13に示した比較例A,Bのものよりも優れた信号伝達特性を有している。   In Example B, it is assumed that the metal layer PC (see FIG. 2) constituting the bias application electrode C is a nonmagnetic material (Al). When L1 is 30 μm, the bias voltage Vb is changed to 15 mV, 30 mV, 75 mV, 105 mV, and 150 mV. In each case, the current supplied from the current source J (see FIG. 2) is 100 μA, 200 μA, 500 μA, 700 μA, 1 mA. Then, it can be seen that spin is accumulated even at a position where L1 is 30 μm. In FIG. 16, Vs is substantially zero when the current is 500 μA or less. Of course, the larger the bias voltage Vb, the larger the spin accumulation amount. Since the metal layer PC is made of a non-magnetic material, there is no spin injection noise from the metal layer PC, and purely drifting spins are accumulated as signal components at the travel end point. Therefore, there is no change in the sign of the output Vs, and it is always positive, and has a signal transmission characteristic superior to that of Comparative Examples A and B shown in FIGS.

図17は、実施例Cに係るドリフト距離L1(μm)とスピン蓄積量Vs(mV)との関係を示すグラフであり(L1が100μmの場合)、図18は、ドリフト距離L1(μm)とスピン蓄積量(mV)との関係を示すグラフ(L1が100μm付近の拡大グラフ)である。   FIG. 17 is a graph showing the relationship between the drift distance L1 (μm) and the spin accumulation amount Vs (mV) according to Example C (when L1 is 100 μm), and FIG. 18 shows the drift distance L1 (μm). It is a graph (L1 is an enlarged graph around 100 μm) showing the relationship with the spin accumulation amount (mV).

実施例Cではバイアス印加電極Cを構成する金属層PC(図2参照)が非磁性体(Al)であるとする。L1が100μmの場合、バイアス電圧Vbを50mV,100mV,250mV,350mV,500mVと変化させ、それぞれの場合に電流源J(図2参照)から供給される電流を100μA,200μA,500μA,700μA,1mAとすると、L1が100μmの位置でも、スピンが蓄積されていることがわかる。なお、図18では電流が500μA以下ではVsは略零である。もちろん、バイアス電圧Vbが大きいほどスピン蓄積量は大きい。金属層PCは非磁性体からなるため、そこからのスピン注入ノイズは無く、純粋にドリフトしてきたスピンが信号成分として走行の終点位置に蓄積している。従って出力Vsの符号の変化はなく、常に正であり、図11〜図13に示した比較例A,Bのものよりも優れた信号伝達特性を有している。   In Example C, it is assumed that the metal layer PC (see FIG. 2) constituting the bias application electrode C is a nonmagnetic material (Al). When L1 is 100 μm, the bias voltage Vb is changed to 50 mV, 100 mV, 250 mV, 350 mV, and 500 mV, and in each case, the current supplied from the current source J (see FIG. 2) is 100 μA, 200 μA, 500 μA, 700 μA, 1 mA. Then, it can be seen that spin is accumulated even at a position where L1 is 100 μm. In FIG. 18, Vs is substantially zero when the current is 500 μA or less. Of course, the larger the bias voltage Vb, the larger the spin accumulation amount. Since the metal layer PC is made of a non-magnetic material, there is no spin injection noise from the metal layer PC, and purely drifting spins are accumulated as signal components at the travel end point. Therefore, there is no change in the sign of the output Vs, and it is always positive, and has a signal transmission characteristic superior to that of Comparative Examples A and B shown in FIGS.

上述のように、金属層PC(図2参照)に非磁性体を用いた場合(実施例A〜C)、スピン蓄積は全てドリフトによるものであり、強磁性体を用いたもの(比較例A,B)に比べてノイズ混入は少ない。以下、実測を行った。   As described above, when a nonmagnetic material is used for the metal layer PC (see FIG. 2) (Examples A to C), all spin accumulation is caused by drift, and a ferromagnetic material is used (Comparative Example A). , B) is less mixed with noise. Hereinafter, actual measurement was performed.

図19は、バイアス電圧Vb(V)と出力電圧V(mV)のドリフト距離L1毎の関係を示す図表であり、図20は、バイアス電圧Vb(V)と出力電圧V(mV)のドリフト距離L1毎の関係を示すグラフである。   FIG. 19 is a chart showing the relationship between the bias voltage Vb (V) and the output voltage V (mV) for each drift distance L1, and FIG. 20 is a drift distance between the bias voltage Vb (V) and the output voltage V (mV). It is a graph which shows the relationship for every L1.

本例では、第2実施形態のスピン伝導素子を用い、実施例1ではSiの表面の全面に5×1019/cmのリン(P)をドープしてn型Siを電気伝導に寄与する半導体領域とし、実施例2では、CH0〜CH3のみに同様にリン(P)をドープした。Siの厚さは100nmとした。寸法は前述の通りである。この素子を、フォトリソグラフィーとイオンミリングで作製した。トンネル障壁層はMgOとし、強磁性層はFeとし、非磁性層からなる電極は全てAlからなることとし、Siのチャネルとオーミックコンタクトさせた。ドリフト距離L1を、1μm、30μm、100μmとして変化させた。 In this example, the spin transport device of the second embodiment is used, and in Example 1, 5 × 10 19 / cm 3 of phosphorus (P) is doped on the entire surface of Si to contribute n-type Si to electrical conduction. In Example 2, phosphorus (P) was doped in the same manner only in CH0 to CH3. The thickness of Si was 100 nm. The dimensions are as described above. This element was produced by photolithography and ion milling. The tunnel barrier layer was made of MgO, the ferromagnetic layer was made of Fe, and the electrodes made of the nonmagnetic layer were all made of Al, and were in ohmic contact with the Si channel. The drift distance L1 was changed to 1 μm, 30 μm, and 100 μm.

実施例1では、電流源Jから1mAの電子注入を行い、およそ1mVのスピン蓄積を入力とし、単一のスイッチSWをONさせた場合の出力電圧Vを測定した。バイアス電圧Vbとともに出力の増大が観測され、スピン拡散長2μm以上の長い距離でスピンの伝導が確認された。実用的には0.001mV以上の出力電圧Vが好ましいが、距離100μmでも、電圧5V以上でそれを満たしている。   In Example 1, an output voltage V was measured when 1 mA of electrons was injected from the current source J, spin accumulation of about 1 mV was input, and a single switch SW was turned on. An increase in output was observed with the bias voltage Vb, and spin conduction was confirmed over a long distance of 2 μm or more. Practically, an output voltage V of 0.001 mV or higher is preferable, but even at a distance of 100 μm, it is satisfied with a voltage of 5 V or higher.

バイアス電圧VbのスイッチSWを同時にONさせたときは、出力がONしたスイッチSWの個数にほぼ反比例して低下したが、検出は十分に可能であった。また注入電流を上げることでも補償できる。バイアス電圧Vbは直流電圧(DC)以外の電圧、すなわち、交流電圧やパルス電圧としても出力を得ることができた。   When the switches SW of the bias voltage Vb were turned on at the same time, the output decreased almost in inverse proportion to the number of switches SW whose outputs were turned on, but detection was sufficiently possible. It can also be compensated by increasing the injection current. The bias voltage Vb could be output as a voltage other than a direct current voltage (DC), that is, an alternating voltage or a pulse voltage.

実施例2においては、出力Vのバイアス電圧依存性は実施例1とほぼ同じあったが、出力の大きさはいずれも約30%増大した。これは、注入電極から出る電気力線の広がりが抑えられ、電場が大きくなったとして解釈できる。   In Example 2, the bias voltage dependency of the output V was almost the same as that of Example 1, but the magnitude of the output increased by about 30%. This can be interpreted as that the electric field lines extending from the injection electrode are suppressed and the electric field is increased.

図21は、比較例1に係るスピン伝導素子の断面図である。   FIG. 21 is a cross-sectional view of a spin transport device according to Comparative Example 1.

比較例1に係るスピン伝導素子においては、上述の実施形態に係るスピン伝導素子からバイアス印加電極を除いたものである。比較例1に係るスピン伝導素子では、バイアス印加電極がないため、スピン蓄積領域Rからのスピン流は、僅かな距離しか拡散することができず、したがって、マルチチャネル型のスピン伝導素子を構成することは困難である。また、スピン流吸収電極Bを2μm以上スピン流源Aから離した場合には、出力Vはゼロとなる。   The spin transport device according to Comparative Example 1 is obtained by removing the bias application electrode from the spin transport device according to the above-described embodiment. In the spin transport device according to Comparative Example 1, since there is no bias application electrode, the spin current from the spin accumulation region R can diffuse only a short distance, and thus a multi-channel spin transport device is configured. It is difficult. When the spin current absorbing electrode B is separated from the spin current source A by 2 μm or more, the output V is zero.

なお、上述のスピン伝導素子においては、従来知られている純スピン流の伝導を用いたスピントランジスタや磁気センサのような用途でもメリットがある。すなわち、ドリフト利用によって検出端子の設置場所を注入電極からスピン拡散長以上に離すことができ、また複数の場所で検出できる。その他、ドリフトは拡散過程より高速の過程なので、高周波化に向いており、GHzオーダーの信号も伝導できる利点があり、短いパルス信号のスピン情報も送ることができる。本発明は、スピン流を用いた磁気センサやスピン情報処理デバイス、スピン流回路或いはMRAMなどに用いられるスピン伝導素子に用いることができる。   Note that the above-described spin transport element has advantages in applications such as spin transistors and magnetic sensors using pure spin current conduction that are conventionally known. That is, by using drift, the installation location of the detection terminal can be separated from the injection electrode by more than the spin diffusion length, and detection can be performed at a plurality of locations. In addition, since drift is a faster process than the diffusion process, it is suitable for higher frequencies, and has the advantage of being able to conduct signals on the order of GHz, and can also send spin information of short pulse signals. The present invention can be used for a spin sensor used in a magnetic sensor, a spin information processing device, a spin current circuit, or an MRAM using spin current.

本発明は、スピン伝導素子に用いることができる。   The present invention can be used for a spin transport device.

1…半導体基板、A…スピン流源、B…スピン流吸収電極、PB1…検出用電極、C…バイアス印加電極。

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor substrate, A ... Spin current source, B ... Spin current absorption electrode, PB1 ... Detection electrode, C ... Bias application electrode.

Claims (5)

半導体領域と、
前記半導体領域に設けられたピンド層を有するスピン流源と、
前記半導体領域に設けられたフリー層を有するスピン流吸収電極と、
前記半導体領域に設けられ、前記スピン流吸収電極との間の電圧を測定するための検出用電極と、
前記半導体領域における前記スピン流源と前記スピン流吸収電極との間に位置し、前記スピン流源に対して正の電位が印加される非磁性体を含むバイアス印加電極と、
を備えることを特徴とするスピン伝導素子。
A semiconductor region;
A spin current source having a pinned layer provided in the semiconductor region;
A spin current absorbing electrode having a free layer provided in the semiconductor region;
A detection electrode provided in the semiconductor region for measuring a voltage between the spin current absorption electrode;
A bias application electrode including a non-magnetic material that is positioned between the spin current source and the spin current absorption electrode in the semiconductor region and to which a positive potential is applied to the spin current source;
A spin transport device comprising:
前記スピン流吸収電極、前記検出用電極及びバイアス印加電極からなる電極群の数は複数であることを特徴とする請求項1に記載のスピン伝導素子。   2. The spin transport device according to claim 1, wherein the number of electrode groups including the spin current absorption electrode, the detection electrode, and the bias application electrode is plural. それぞれの前記バイアス印加電極に前記電位を与えるためのバイアス電源と、
前記バイアス電源とそれぞれのバイアス印加電極との間に介在するスイッチと、
を備え、
それぞれの前記スイッチは、選択的に接続されることを特徴とする請求項2に記載のスピン伝導素子。
A bias power source for applying the potential to each of the bias application electrodes;
A switch interposed between the bias power source and each bias application electrode;
With
The spin transport device according to claim 2, wherein each of the switches is selectively connected.
前記フリー層の磁化の向きを制御するための電流源と、
前記スピン流吸収電極と前記検出用電極との間の電圧を検出する電圧検出手段と、
を備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のスピン伝導素子。
A current source for controlling the magnetization direction of the free layer;
Voltage detection means for detecting a voltage between the spin current absorption electrode and the detection electrode;
The spin transport device according to claim 1, wherein the spin transport device is provided.
前記半導体領域を含む半導体基板を備え、
前記半導体基板における前記半導体領域の外側の領域の抵抗率は、前記半導体領域よりも高いことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のスピン伝導素子。








A semiconductor substrate including the semiconductor region;
5. The spin transport device according to claim 1, wherein a resistivity of a region outside the semiconductor region in the semiconductor substrate is higher than that of the semiconductor region.








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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013168447A (en) * 2012-02-14 2013-08-29 Hitachi Ltd Spin current amplifier

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000332317A (en) * 1999-05-19 2000-11-30 Toshiba Corp Magnetic element, memory, magnetic reproduction head, and magnetic disc drive
JP2004186274A (en) * 2002-11-29 2004-07-02 Japan Science & Technology Agency Spin injection element and magnetic apparatus using the same
JP2009146512A (en) * 2007-12-14 2009-07-02 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands Bv Magnetic head and magnetic recording apparatus
JP2010287629A (en) * 2009-06-09 2010-12-24 Tdk Corp Semiconductor spin device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000332317A (en) * 1999-05-19 2000-11-30 Toshiba Corp Magnetic element, memory, magnetic reproduction head, and magnetic disc drive
JP2004186274A (en) * 2002-11-29 2004-07-02 Japan Science & Technology Agency Spin injection element and magnetic apparatus using the same
JP2009146512A (en) * 2007-12-14 2009-07-02 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands Bv Magnetic head and magnetic recording apparatus
JP2010287629A (en) * 2009-06-09 2010-12-24 Tdk Corp Semiconductor spin device

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JPN7013003721; O. M. J. van 't Erve et al.: 'Electrical injection and detection of spin-polarized carriers in silicon in alateral transport geome' APPLIED PHYSICS LETTERS VOLUME 91/ISSUE 21/212109, 2007 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013168447A (en) * 2012-02-14 2013-08-29 Hitachi Ltd Spin current amplifier

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