磁阻效應(yīng)元件、Spin-MOSFET、磁傳感器以及磁頭制造技術(shù)

在使用了半導(dǎo)體的自旋傳導(dǎo)元件中，與現(xiàn)有的GMR元件或TMR元件相比，存在元件電阻變大，并且難以獲得大的磁阻比問(wèn)題。本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種磁阻效應(yīng)元件，其特征在于：具備半導(dǎo)體通道層3、被設(shè)置于半導(dǎo)體通道層3上的第1強(qiáng)磁性層12A和與第1強(qiáng)磁性層12A分開(kāi)設(shè)置的第2強(qiáng)磁性層12B、與第1強(qiáng)磁性層12A以及第2強(qiáng)磁性層12B分開(kāi)設(shè)置的非磁性的第1參考電極20，電流經(jīng)由半導(dǎo)體通道層3從第2強(qiáng)磁性層12B被輸入到第1強(qiáng)磁性層12A，并輸出第2強(qiáng)磁性層12B與第1參考電極20之間的電壓。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國(guó)外來(lái)華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)涉及磁阻效應(yīng)元件、Spin-MOSFET(自旋金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，spin-metallicoxidesemiconductorfieldeffecttransistor)、磁傳感器以及磁頭。
技術(shù)介紹
自旋極化電流是指在伴隨于電荷的電流中附加了自旋的自由度的電流，并且是指同時(shí)保持了電荷的自由度和自旋的自由度的電流。通過(guò)在強(qiáng)磁性電極之間經(jīng)由非磁性層而通過(guò)自旋極化電流從而產(chǎn)生的磁阻因?yàn)槠湫?yīng)大所以被稱作巨磁電阻效應(yīng)(GMR)，并且有利用了該效應(yīng)的磁頭以及傳感器等的應(yīng)用產(chǎn)品。另外，已知在替代非磁性層而使用了隧道層的結(jié)構(gòu)中可以得到被稱作隧道磁阻效應(yīng)(TMR)并能超過(guò)GMR的特性。這些元件為由強(qiáng)磁性電極彼此的自旋的相對(duì)角而產(chǎn)生輸出的無(wú)源元件。在此，將該無(wú)源元件的名稱定義為磁阻效應(yīng)元件。在將非磁性層作為半導(dǎo)體的情況下，不僅具有磁阻效應(yīng)而且還具有半導(dǎo)體中的放大功能，因此自旋電子學(xué)(spintronics)中的有源元件備受關(guān)注。在專利文獻(xiàn)1、2中提出有利用了通過(guò)使自旋極化電流流過(guò)半導(dǎo)體而產(chǎn)生的磁阻效應(yīng)的Spin-MOSFET。已知為了在以2個(gè)強(qiáng)磁性層夾著非磁性層的結(jié)構(gòu)中獲得巨大的磁阻比而有2個(gè)要素：一個(gè)是增大源于強(qiáng)磁性層的自旋的磁阻并增大電阻；另一個(gè)是降低引起磁阻的元件自身的電阻。另外，磁阻比(MRR)被表示為MRR＝(RAP-RP)/RP×100。RAP為2個(gè)強(qiáng)磁性層的磁化的方向反平行的情況下的元件的電阻，RP表示2個(gè)強(qiáng)磁性層的磁化的方向平行的情況下的元件的電阻。另外，源于自旋的磁阻ΔR由RAP與RP的差而被表示為ΔR＝RAP-RP。即，可知在RP小且RAP大的情況下能夠獲得大的磁阻比。在磁阻效應(yīng)元件中非磁性層經(jīng)常是在元件電阻中起重要作用。一般而言，在使用GMR的情況下在非磁性層中是使用金屬材料，因此元件電阻低。換而言之，RP變小。相反，在使用TMR的情況下由于是將隧道絕緣材料用于非磁性層，因此元件電阻高。換而言之，RP變大。然而，已知對(duì)于ΔR，TMR能夠獲得比GMR更大的值。作為結(jié)果，已知TMR能夠獲得比GMR更巨大的磁阻比。在非磁性層由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的情況下，會(huì)變得比上述情況更復(fù)雜。其理由是因?yàn)椋赫J(rèn)為半導(dǎo)體材料是容易傳導(dǎo)自旋的材料，并且能夠獲得比非磁性層由金屬構(gòu)成的情況下更高的ΔR。另外，該情況下比非磁性層由隧道絕緣材料構(gòu)成的情況下RP變小，并且有可能獲得更高磁阻比。另外，通過(guò)非磁性層由半導(dǎo)體材料構(gòu)成從而也可以作為有源元件發(fā)揮作用。作為降低電阻的方法考慮了降低各層的電阻值的方法，但是一般來(lái)說(shuō)如果變更材料則由自旋引起的散射會(huì)發(fā)生變化磁阻比未必會(huì)上升。另外，在電流流過(guò)的路徑為強(qiáng)磁性層、隧道層、半導(dǎo)體層、隧道層和強(qiáng)磁性層的順序中，考慮測(cè)定半導(dǎo)體層與強(qiáng)磁性層的界面的電壓的方法。然而，根據(jù)非專利文獻(xiàn)2，在該方法中雖然能夠使電路整體的電阻降低至一半的程度，但是源自自旋的輸出也變成一半，并且存在不能增大磁阻比的問(wèn)題。現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1：國(guó)際公開(kāi)WO2004/086625號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2：日本特開(kāi)2006-32915號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3：日本特開(kāi)2010-287666號(hào)公報(bào)非專利文獻(xiàn)非專利文獻(xiàn)1：T.Sasaki,T.Oikawa,T.Suzuki,M.Shiraishi,Y.Suzuki,andK.Noguchi,APPLIEDPHYSICSLETTERS98,262503(2011)非專利文獻(xiàn)2：T.Kimura,J.Hamrle,andY.Otani,K.TsukagoshiandY.Aoyagi,APPLIEDPHYSICSLETTERS85(2004)3501非專利文獻(xiàn)3：B.Huang,D.J.MonsmaandI.Appelbaum,PHYSICALREVIEWLETTERS99,177209(2007)非專利文獻(xiàn)4：A.FertandH.Jaffres,PhysicalReviewBVOLUME64,184420(2001)
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
專利技術(shù)想要解決的技術(shù)問(wèn)題如非專利文獻(xiàn)1所記載的，為了將半導(dǎo)體材料用于非磁性層來(lái)獲得磁阻效應(yīng)而將隧道層插入強(qiáng)磁性層與半導(dǎo)體層之間是有效的。特別是在將半導(dǎo)體的代表性材料硅用于半導(dǎo)體層的情況下，在將隧道層插入到強(qiáng)磁性層與半導(dǎo)體層之間的方法中能夠獲得有效的磁阻效應(yīng)。在該方法中，電流的流動(dòng)路徑成為強(qiáng)磁性層、隧道層、半導(dǎo)體層、隧道層和強(qiáng)磁性層的順序。與現(xiàn)有的GMR元件或TMR元件相比，電阻最高的隧道層含有2層因此元件電阻變大，并且存在難以獲得大的磁阻比的問(wèn)題。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，有除去隧道層從而使半導(dǎo)體層與強(qiáng)磁性層直接接合的方法。在該情況下，因?yàn)橛幸坏┍蛔⑷氲桨雽?dǎo)體層的自旋會(huì)返回到強(qiáng)磁性層側(cè)的效果，因此難以獲得大的磁阻效應(yīng)。如果為了產(chǎn)生大的自旋積累而減少半導(dǎo)體層的雜質(zhì)并增大半導(dǎo)體層的電阻，則能夠期待獲得大的輸出。即使在該情況下，也會(huì)由于由于半導(dǎo)體層的電阻增大從而電路的電阻增大，因此難以獲得大的磁阻比。為了解決這些技術(shù)問(wèn)題，有必要探討半導(dǎo)體層與隧道層的界面電阻以及半導(dǎo)體層的電阻盡可能不影響到磁阻比的方法。然而，在將半導(dǎo)體材料用于使用了通常所使用的磁阻效應(yīng)的非磁性層的元件中，不能解決這些問(wèn)題。解決技術(shù)問(wèn)題的手段為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本專利技術(shù)的磁阻效應(yīng)元件特征在于：具備：半導(dǎo)體通道層(semiconductorchannellayer)；第1強(qiáng)磁性層，被設(shè)置于半導(dǎo)體通道層上；第2強(qiáng)磁性層，以離開(kāi)第1強(qiáng)磁性層的方式被設(shè)置于上述半導(dǎo)體通道層上；第1參考電極，以離開(kāi)第1強(qiáng)磁性層以及第2強(qiáng)磁性層的方式被設(shè)置于上述半導(dǎo)體通道層上，電流通過(guò)上述半導(dǎo)體通道層從上述第2強(qiáng)磁性層向上述第1強(qiáng)磁性層輸入，輸出上述第2強(qiáng)磁性層與上述第1參考電極之間的電壓。通過(guò)該特征，可以只提取第2強(qiáng)磁性層與半導(dǎo)體通道層之間的電阻變化。在測(cè)定第1強(qiáng)磁性層與第2強(qiáng)磁性層之間的電壓的情況下，可以測(cè)定包含由第1強(qiáng)磁性層與第2強(qiáng)磁性層之間的半導(dǎo)體通道層的電阻或第1強(qiáng)磁性層與半導(dǎo)體通道層之間的界面的電阻引起的電壓降低的電壓。在本專利技術(shù)磁阻效應(yīng)元件中，能夠獲得相應(yīng)于對(duì)應(yīng)被測(cè)定的電壓的元件電阻降低而能觀察到的部分的高磁阻比。進(jìn)一步，本專利技術(shù)的磁阻效應(yīng)元件的特征在于：具備設(shè)置于上述第1強(qiáng)磁性層與上述半導(dǎo)體通道層之間的第1隧道層、和設(shè)置于上述第2強(qiáng)磁性層本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種磁阻效應(yīng)元件，其特征在于：具備：半導(dǎo)體通道層，第1強(qiáng)磁性層，被設(shè)置于所述半導(dǎo)體通道層上，第2強(qiáng)磁性層，以離開(kāi)所述第1強(qiáng)磁性層的方式被設(shè)置于所述半導(dǎo)體通道層上，以及非磁性的第1參考電極，以離開(kāi)所述第1強(qiáng)磁性層以及所述第2強(qiáng)磁性層的方式被設(shè)置于所述半導(dǎo)體通道層上，電流通過(guò)所述半導(dǎo)體通道層從所述第2強(qiáng)磁性層向所述第1強(qiáng)磁性層輸入，輸出所述第2強(qiáng)磁性層與所述第1參考電極之間的電壓。

【技術(shù)特征摘要】
【國(guó)外來(lái)華專利技術(shù)】2013.11.20 JP 2013-2397351.一種磁阻效應(yīng)元件，其特征在于：
具備：
半導(dǎo)體通道層，
第1強(qiáng)磁性層，被設(shè)置于所述半導(dǎo)體通道層上，
第2強(qiáng)磁性層，以離開(kāi)所述第1強(qiáng)磁性層的方式被設(shè)置于所述半
導(dǎo)體通道層上，以及
非磁性的第1參考電極，以離開(kāi)所述第1強(qiáng)磁性層以及所述第2
強(qiáng)磁性層的方式被設(shè)置于所述半導(dǎo)體通道層上，
電流通過(guò)所述半導(dǎo)體通道層從所述第2強(qiáng)磁性層向所述第1強(qiáng)磁
性層輸入，
輸出所述第2強(qiáng)磁性層與所述第1參考電極之間的電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于：
具備第1隧道層和第2隧道層中的至少一者，
其中，所述第1隧道層被設(shè)置于所述第1強(qiáng)磁性層與所述半導(dǎo)體
通道層之間，
所述第2隧道層被設(shè)置于所述第2強(qiáng)磁性層與所述半導(dǎo)體通道層
之間。
3.如權(quán)利要求2所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于：
具備所述第1隧道層和所述第2隧道層這二者。
4.如權(quán)利要求1～3中任意一項(xiàng)所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于：
所述第1強(qiáng)磁性層與所述第2強(qiáng)磁性層的間隔短于所述半導(dǎo)體通
道層的自旋傳輸距離。
5.如權(quán)利要求1～4中任意一項(xiàng)所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于：
所述第2強(qiáng)磁性層被設(shè)置于所述第1強(qiáng)磁性層與所述第1參考電
極之間。
6.如權(quán)利要求1～5中任意一項(xiàng)所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于：
所述第2強(qiáng)磁性層的矯頑力與所述第1強(qiáng)磁...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：佐佐木智生，及川亨，小池勇人，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：TDK株式會(huì)社，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：日本;JP