[发明专利]磁阻效应元件、自旋MOSFET和自旋传导元件

说明书

本发明提供一种磁阻效应元件，其具备：半导体通道层(7)，经由第1隧道层(81A)配置于半导体通道层上的磁化固定层(12A)，经由第2隧道层(81B)配置于半导体通道层上的磁化自由层(12B)，半导体通道层实质上由包含了与第1隧道层的界面的第1区域(7A)、包含了与第2隧道层的界面的第2区域(7B)、第3区域(7C)构成，第1区域和第2区域的杂质浓度为超过1×10¹⁹cm^‑3的浓度，第3区域的杂质浓度为1×10¹⁹cm^‑3以下，第1区域和第2区域隔着第3区域而分离，第1区域和第2区域的杂质浓度分别从半导体通道层与第1隧道层的界面以及半导体通道层与第2隧道层的界面单调地在半导体通道层的厚度方向上减少。

技术领域

本发明涉及磁阻效应元件、Spin-MOSFET(spin-metallic oxide semiconductorfield effect transistor：自旋金属氧化物半导体场效应晶体管)以及自旋传导元件。

背景技术

通过非磁性层使自旋极化电流流过铁磁性电极之间而产生的磁阻因为其效应大所以被称作为巨大磁阻效应(GMR)，利用了该效应的应用产品有磁头以及传感器等。另外，众所周知替代非磁性层而使用了隧道薄膜的结构被称作为隧道磁阻效应(TMR)，并且能够获得超过GMR的特性。这些元件为由铁磁性电极彼此的自旋的相对角而产生输出的无源元件。在将非磁性层作为半导体的情况下，因为不仅仅有磁阻效应而且有半导体中的放大功能，所以自旋电子学(spintronics)中的有源元件受到关注。在专利文献1,2中有方案提出利用了通过使自旋极化电流流过半导体而产生的磁阻效应的Spin-MOSFET。

在非专利文献1中有方案提出为了使自旋传导于半导体中，所以从电导率不匹配(conductivity mismatch)的问题出发将隧道薄膜插入到铁磁性体与半导体的界面。实际上，仅仅是插入隧道薄膜难以将自旋注入到半导体层并使自旋传导，以解决电导率不匹配的问题的形式插入隧道薄膜会导致电路整体的元件电阻的增加，因而获得大磁阻比变得困难。

不能够获得大磁阻比的理由主要有2个。一个是伴随于在铁磁性体与半导体的界面附近的自旋散射的自旋衰减问题。还有一个是元件电阻的设计问题。

半导体通道层(semiconductor channel layer)的载流子浓度(carrierconcentration)越低，自旋越会容易积蓄于半导体通道层并且容易传导。自旋输送距离是由直至自旋衰减并失去自旋极化为止的平均时间即自旋寿命和自旋扩散传导的扩散系数来决定的。即，自旋传导元件的电阻越高则自旋越容易传导。另一方面，自旋传导元件的电阻越低则自旋越容易被注入，并且能够实现高速化以及省能源化。所以为了实现既保持良好的自旋传导性又实现高速化以及省能源化的自旋传导元件，关于自旋传导元件的电阻特性会产生矛盾。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开WO2004/086625号公报

专利文献2：日本特开2006-32915号公报

专利文献3：日本特开2010-287666号公报

非专利文献

非专利文献1：A.Fert and H.Jaffres,Physical Review B VOLUME 64,184420(2001)

非专利文献2：T.Suzuki,T.Sasaki,T.Oikawa,M.Shiraishi,Y.Suzuki,andKNoguchi,Applied Physics Express 4(2011)023003

发明内容

发明所要解决的技术问题