JPH0878703A

JPH0878703A - 光電変換素子

Info

Publication number: JPH0878703A
Application number: JP6215411A
Authority: JP
Inventors: Keiichirou Yuzusu; 圭一郎柚須; Koichiro Inomata; 浩一郎猪俣
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-09-09
Filing date: 1994-09-09
Publication date: 1996-03-22
Anticipated expiration: 2019-01-06
Also published as: JP3483627B2

Abstract

(57)【要約】【目的】感度が波長帯に依存しない新規な光電変換素
子を提供することを目的とする。【構成】半導体層１を介して第１の磁性体層２・第２
の磁性体層３が積層された光誘起磁性積層膜４を備えた
光電変換素子である。この素子に半導体層１のバンドギ
ャップ、あるいは不純物準位に対応する光を照射する
と、第１の磁性体層２および第２の磁性体層３間の交換
相互作用の符号が変化し、第１の磁性体層２の磁化方向
が選択的に変化し、電気抵抗の変化を起こす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光センサー・光スイッチ
などに用いられる、光信号を電気信号に変換する光電変
換素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、光センサー・固体撮像素子・
太陽電池などに使用される光電変換素子としては単結晶
シリコンや非晶質シリコン（以下ａ−Ｓｉと記す）が一
般的である。特にａ−Ｓｉは化合物半導体よりも光応答
が早く優れた特性を有する。

【０００３】光を光電変換素子に照射した際に、光子の
エネルギーｈνが光電変換素子に用いている物質の価電
子帯と伝導帯との間のエネルギー差、すなわちバンドギ
ャップよりも大きいと光の吸収が起こる。光が吸収され
ると、価電子帯からキャリアが励起され外部へ放射さ
れ、あるいは伝導帯に持ち上げられたキャリアが物質の
電気伝導度を高める。これが光電効果であり、従来の光
電変換素子はこの原理を利用している。

【０００４】これらの光電変換素子では任意の波長帯で
感度を上げるために、水素化・フッ素化・炭素化やＢ、
Ｃ、Ｐなどの不純物をドーピングするなどの手段が行わ
れている。例えばａ−ＳｉにＣをドーピングすることで
分光感度のピークを６００ｎｍからさらに短波長側にシ
フトさせることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の光電変換素子で
は任意の波長帯で感度を上げるための手段を用いると、
不純物による局在準位が形成されるので光電流が減少す
る。このため半導体では避けられない、熱的原因や絶縁
性の不良などに起因する暗電流との比が小さくなり感度
が落ちてしまう。つまり不純物をドーピングしなければ
感度は良好であるが感度のピークは固定されてしまい、
不純物をドーピングすると任意の波長帯に感度のピーク
を設定できるが感度が低下してしまうという問題があっ
た。本発明は上記の問題を解決し、感度が波長帯に依存
しない新規な光電変換素子を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び作用】上記の問題を解
決するために本発明は第１の発明として、第１の磁性体
層と、第２の磁性体層と、前記第１および第２の磁性体
層間に介在する半導体層とを有する第１の積層膜が、光
照射により前記第１および第２の磁性体層間の交換相互
作用の符号を変化させて、前記第１の磁性体層の磁化方
向を選択的に変化させ、電気抵抗の変化を起こす光電変
換素子を提供する。

【０００７】また本発明は第２の発明として、第１の磁
性体層と、第２の磁性体層と、前記第１および第２の磁
性体層間に介在する半導体層とを有する第１の積層膜
と、前記第１の磁性体層に隣接した第３の磁性体層と、
第４の磁性体層と、前記第３の磁性体層を介して前記第
１の磁性体層と積層されかつ前記第３および第４の磁性
体層間に介在する非磁性体層とを有し磁気抵抗効果を示
す第２の積層膜とを備え、前記第１の積層膜が光照射に
より前記第１および第２の磁性体層間の交換相互作用の
符号を変化させて、前記第１および第３の磁性体層の磁
化方向を選択的に変化させ、電気抵抗の変化を起こす光
電変換素子を提供する。

【０００８】本発明者らは磁性体層と半導体層を交互に
積み重ねた、いわゆる光誘起磁性積層膜が電気抵抗の変
化を起こすことを新たに見い出した。光誘起磁性現象は
半導体層のバンドギャップ、あるいは不純物によって形
成された局在準位に対応した光を照射すると、半導体層
にキャリアが励起され、磁性体層間の交換相互作用の符
号が変化するというものである。

【０００９】例えば光を照射しないときに磁化の方向が
平行であるとする。このとき交換相互作用の符号は正で
ある。光を照射することによって半導体層にキャリアが
励起されてキャリア濃度が高くなり、磁性体層間に反強
磁性的交換相互作用が誘起され磁性体層の磁化方向が反
平行に揃うようになる。このときの交換相互作用は負と
なる。あるいは照射しないときに磁化方向が反平行で、
照射すると平行になるようにしても良い。

【００１０】この状態の変化は半導体層でのキャリアの
励起によるものであり、加熱などの熱的プロセスを用い
る場合に比べ変化が非常に高速に行なわれる。また光照
射を止めると光照射によって励起されたキャリアは消滅
する。このためキャリア濃度が光を照射する前の状態に
戻って交換相互作用の符号が変化し、磁化方向が元の状
態に瞬時に戻る可逆性を有している。

【００１１】このような光誘起磁性積層膜が電気抵抗の
変化を起こすことを見い出したことから、本発明者らは
これを光電変換素子に応用することに至った。電気抵抗
の変化は以下のようにして起こると考えられる。

【００１２】例えば光誘起磁性積層膜の両端に電極を設
けて電流を流すとする。第１・第２の磁性体層の磁化方
向が平行であるときは、それと同じ向きのスピンの電子
がスピンによる散乱を受けずに伝導を担うため、光誘起
磁性積層膜全体の電気抵抗が小さくなる。

【００１３】一方、第１・第２の磁性体の磁化方向が反
平行であるときは、どちらの向きのスピンの電子も同程
度の散乱を受けるため、光誘起磁性積層膜全体の電気抵
抗が大きくなる。

【００１４】このように第１・第２の磁性体層の磁化方
向が平行のときと反平行のときとで積層膜の電気抵抗が
大きく変化する。なお磁化方向が変化する磁性体層を特
定するためには次のような構成をとることが好ましい。
すなわち第２の磁性体層の保磁力を第１の磁性体層の保
磁力よりも大きくすることにより、磁化方向が変化する
磁性体層を第１の磁性体層に特定できる。

【００１５】また光照射により誘起される交換相互作用
が強磁性的になるか反強磁性的になるかは膜を構成する
物質・膜厚に依存する。このような光誘起磁性積層膜を
光電変換素子として用いることには以下のような利点が
ある。

【００１６】任意の波長帯に分光感度のピークを設定す
るために不純物をドーピングする必要がない。このため
従来の光電変換素子とは異なって、波長帯によって感度
のピークが低下してしまうことがなくなる。

【００１７】また従来の光電変換素子ではａーＳｉ内の
伝導を直接利用していたために、半導体では避けること
のできない暗電流が発生し、光によって生じる光電流を
妨げていたが、本発明による積層膜では電気伝導を主と
して担うのが金属を用いた磁性体層の電子であるため暗
電流が発生する心配がない。磁性体層には暗電流が発生
しないので光照射時の電気抵抗の変化が暗電流によって
妨げられることがなくなり、感度が低下しなくなる。

【００１８】さらに光誘起磁性積層膜で起こる磁気結合
の変化は半導体層のキャリア濃度変化によるため非常に
高速に行われる。このため応答性が速く高感度な光セン
サーとして利用できる。

【００１９】また光誘起磁性積層膜が大きな保磁力を持
つ場合は、光照射の前後で変化した磁気的結合状態を維
持することができる。すなわち任意の光に対する光スイ
ッチとして利用することも可能となる。

【００２０】この光誘起磁性積層膜は少なくとも一対の
磁性体層間に半導体層を介在させた積層構造であれば良
く、これらを交互に積み重ねた多層の構造でも良い。ま
た磁性体層の磁化方向は面内配向・面垂直配向のいずれ
を用いても良い。

【００２１】面内配向膜を用いた場合は、面内方向に一
軸磁気異方性を導入すると積層膜全体としての磁気特性
を大きく変化させることができるので好ましい。一軸磁
気異方性を導入しないと磁区ごとに磁気スピンの方向が
異なることになり、光照射による磁気スピンの反転効果
を打ち消す領域も存在するが、一軸磁気異方性を導入す
れば磁気スピンの反転効果は全て反映されることになる
からである。

【００２２】一軸磁気異方性の導入は例えば次のように
して行なう。積層膜を形成する際に用いる基板に特定結
晶方位のものを用い、形成膜を基板にエピタキシャル成
長させる。あるいは成膜するときに磁場中で成膜し、ま
た成膜後に磁場中で熱処理を行なうと特定方位の異方性
が導入される。これら両者を組み合わせても良い。

【００２３】また磁性体層としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉや
これらを含む合金を、半導体層としてはＳｉ、Ｇｅなど
の単体、不純物をド−プしたＳｉ、Ｇｅの他、バンドギ
ャップを適宜規定できるII-VI 族・III-V 族などの化合
物系、酸素をドープしたＳｉ、ＺｎＯ、ＮｉＯなどの酸
化物系、ＧａＮなどの窒化物系、ＳｉＣなどの炭化物
系、ＦｅＳｉ、ＣｏＳｉ、ＣｒＳｉなどの遷移金属シリ
サイドなどを用いることができる。

【００２４】磁性体層の厚さは特に限定されるものでは
なく、また積層数によっても異なるが、０．５〜５ｎｍ
程度が好ましい。また半導体層の厚さは材質や成膜方法
によっても異なるが、例えば１〜４ｎｍ程度とすること
が好ましい。半導体層の厚さが１ｎｍ未満だと磁性体層
間の強磁性的交換相互作用が大きくなりすぎ、磁化方向
が常に平行な状態となってしまい反平行な状態が得られ
ない。一方、半導体層の厚さが４ｎｍを超えると、十分
な抵抗変化が得られなくなってしまう。

【００２５】このような光誘起磁性積層膜を第１の積層
膜とし、これと積層する第２の積層膜として、磁性体層
と非磁性体層とを交互に積層した磁気抵抗効果積層膜を
用いることにより、光電変換素子の電気抵抗の変化率が
さらに大きくなる。

【００２６】磁気抵抗効果とは磁界を加えることによっ
て電気抵抗が変化する効果である。磁界を加えると非磁
性体層を介した２つの磁性体層のうちの一方の磁化方向
が変化して電気抵抗が変化する。

【００２７】このような磁気抵抗効果を示す積層膜の１
つとして、スピン・バルブ効果を利用したものがある。
これは膜面に平行な磁化を持つ２つの磁性体層が磁気的
に非結合で、この２層間の電気抵抗が磁化方向間の角度
の余弦として変化する原理を利用したものである。つま
り一方の層の磁化方向と平行に磁界をかけることによっ
て、他方の層の磁化方向が回転して変化し電気抵抗が変
化する。

【００２８】またスピン・バルブ効果を利用した積層膜
ではなく、非磁性体層を介して相対する磁性体層の磁化
が膜面に対して平行で、しかも反平行に磁気的結合し
た、いわゆる人工格子膜を用いても良い。

【００２９】磁気抵抗効果積層膜と光誘起磁性積層膜と
を積層し、光誘起磁性積層膜に光を照射すると、光誘起
磁性積層膜のうちの、磁気抵抗効果積層膜に隣接した第
１の磁性体層の磁化方向が反転する。すると磁気抵抗効
果積層膜のうちの、第１の磁性体層に隣接した第３の磁
性体層の磁化方向も第１の磁性体層との交換相互作用に
よって反転する。つまり光誘起磁性積層膜・磁気抵抗効
果積層膜どちらも電気抵抗が共に変化する。

【００３０】このような積層膜を用いた光電変換素子の
両端に電極を設けて電流を流す場合、光誘起磁性積層膜
よりも磁気抵抗効果積層膜の方が電気抵抗の変化が大き
いため、電極は少なくとも磁気抵抗効果積層膜の部分に
設ければ良い。あるいは磁気抵抗効果積層膜・光誘起磁
性積層膜の両方にまたがるように設けることも可能であ
る。

【００３１】上述のように光誘起磁性積層膜と磁気抵抗
効果積層膜とを積層すると、電気信号の読み出しに磁気
抵抗効果積層膜を利用するため、光誘起磁性積層膜のみ
を光電変換素子として用いた場合よりも電気抵抗の変化
が大きくなる。

【００３２】このため光センサーや光スイッチとして用
いた場合、光誘起磁性積層膜のみを用いた光電変換素子
よりもさらに有利になる。この場合は磁化方向が変化す
る磁性体層を特定するためには、第２および第４の磁性
体層の磁化方向を固定しておくことが好ましい。これは
例えば第２・第４の磁性体層の半導体層・非磁性体層と
は反対側に反強磁性体層を設けることによって可能とな
る。

【００３３】磁気抵抗効果積層膜は少なくとも一対の磁
性体層間に半導体層を介在させた積層構造であれば良
く、これらを交互に積み重ねた多層の構造でも良い。磁
性体層としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉやこれらを含む合金を
用いることができる。一方、非磁性体層にはＣｕ、Ａ
ｇ、Ａｕ、Ｃｒやこれらを含む合金を用いることができ
る。

【００３４】また磁性体層・非磁性体層の厚さはともに
１〜４ｎｍ程度が好ましい。１ｎｍ未満だと抵抗値が飽
和する飽和磁界が大きくなりすぎてしまい、４ｎｍを超
えると十分な抵抗変化が得られないからである。

【００３５】以上のような積層膜は高真空の分子線エピ
タキシー（ＭＢＥ）法・スパッタ法で作製することもで
きるが、１×１０^-5Ｐａ以下の通常の真空度でＲＦマグ
ネトロンスパッタ法・ＤＣスパッタ法・イオンビームス
パッタ法・真空蒸着法などの薄膜形成法を用いて作製す
ることもできる。

【００３６】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。（実施例１）まず本実施例の原理を説明する概略図を図
１に示す。

【００３７】半導体層１を介して積層された第１の磁性
体層２・第２の磁性体層３によって光誘起磁性積層膜４
が形成されており、第１の磁性体層２・第２の磁性体層
３の磁化方向は面内配向であって光を照射していないと
きには平行である。

【００３８】この積層膜４に半導体層１のバンドギャッ
プ、あるいは不純物準位に相当する光（ｈν）を照射す
る。光はバンドギャップ、あるいは不純物準位以上のエ
ネルギーを有していれば良い。すると第１の磁性体層２
と第２の磁性体層３との間の交換相互作用の符号が変化
し、反強磁性的結合が生じる。結果として第１の磁性体
層２の磁化方向は反転することになる。

【００３９】以下に一例を示す。スパッタクリーニング
処理を施した熱酸化Ｓｉ基板上に３ｎｍの厚さのＦｅを
第一層として、１．５ｎｍの厚さのＳｉと交互に２０回
繰り返して積層した。成膜はイオンビームスパッタ法を
用い、到達真空度６．７×１０^-5Ｐａ、成膜時のＡｒ圧
２．４×１０^-2Ｐａとした。この時ビーム電流は３０ｍ
Ａとし、イオンガンの加速電圧を４００Ｖとした。

【００４０】この積層膜に対して波長６３３ｎｍのレー
ザーをパルス幅１００ｎｓで照射したところ、図２のよ
うな応答性の良い電気抵抗変化を示した。この時の抵抗
変化率は１％であった。

【００４１】この実施例の光電変換素子は光センサーと
して用いることができる。（実施例２）熱酸化Ｓｉ基板上にＣｏ２ｎｍ／Ｓｉ１．
５ｎｍ／Ｆｅ２ｎｍ／Ｓｉ１．５ｎｍの順に、繰り返し
数を１０として、その他は実施例１と同様にして成膜し
た。

【００４２】この実施例の場合、Ｆｅ層が第１の磁性体
層、これよりも保磁力の高いＣｏ層が第２の磁性体層と
なる。つまり光を照射したときには第１の磁性体層であ
るＦｅ層の磁化方向が変化する。

【００４３】この積層膜に対して実施例１と同様なレー
ザーを照射したところ、実施例１と同様な応答性の良い
電気抵抗変化を示した。なお抵抗変化率は２％であっ
た。この実施例の光電変換素子も光センサーとして用い
ることが可能である。（実施例３）Ｆｅをパーマロイに置き換え、かつ繰り返
し数を１０として、その他は実施例１と同様にして成膜
した。

【００４４】この積層膜に対して図３に示すように波長
８３０ｎｍ、出力５ｍＷのレーザーを１０ｎｓパルス照
射したところ抵抗が減少した。再び同波長のレーザーを
今度は出力１０ｍＷで照射すると抵抗が増加し元の状態
に戻った。

【００４５】この実施例の光電変換素子は一度光を照射
すると磁化方向が変化し、光照射を停止した後も光照射
したときの磁化方向の状態を保持する。次に一度目の光
よりも強度の大きい光を照射をするとこの磁化方向の状
態が変化する。このため光スイッチとして用いることが
できる。（実施例４）本実施例の原理を説明する概略図を図４に
示す。

【００４６】この実施例は実施例１とは異なり、磁性体
層の磁化方向が面垂直配向であり、光を照射していない
ときには磁化方向が図３（ａ）のように上向きに揃って
いる。

【００４７】半導体層のバンドギャップ、あるいは不純
物準位に相当する以上のエネルギーを有する光（ｈν）
を照射すると、磁性体層間の交換相互作用が励起され、
図３（ｂ）のように第１の磁性体層２の磁化方向が反転
する。光照射を局所的にすれば局所的に磁化方向を反転
させることができる。

【００４８】以下に一例を説明する。この例は図３の場
合とは逆で、磁化方向が光を照射しないときに反平行、
光を照射したときに平行となる例である。実施例１と同
じ条件で熱酸化Ｓｉ基板上にまずＰｔ５ｎｍを積層し、
次いでＣｏ０．５ｎｍ／Ｓｉ１．５ｎｍ／Ｃｏ０．５ｎ
ｍの層構成を形成した。この場合、Ｓｉ層を介したＣｏ
層は垂直磁化となり、光未照射では磁化の向きが互いに
反平行となる。なおＰｔ層はＣｏが垂直磁化になりやす
いように設けてある。

【００４９】これに波長４００ｎｍのハロゲンランプを
照射したところ磁化の向きは平行になった。この磁化の
変化に対応して電気抵抗変化率１．５％が得られた。こ
のように本発明では垂直磁化膜においても光照射に対し
て電気抵抗変化が得られた。

【００５０】この実施例の光電変換素子も光センサーと
して用いることができる。（実施例５）本実施例の原理を説明する概略図を図５に
示す。

【００５１】光誘起磁性積層膜４の下に、非磁性体層５
を介して第３の磁性体層６・第４の磁性体層７が積層さ
れた磁気抵抗効果積層膜８が積層されている。また第２
の磁性体層３・第４の磁性体層７の磁気スピンはそれぞ
れ反強磁性体層９・１０によって固定されている。光を
照射しない図５（ａ）の状態では、光誘起磁性積層膜４
の磁化方向は平行、磁気抵抗効果積層膜８の磁化方向は
反平行である。

【００５２】この積層膜に対して図５（ｂ）に示すよう
に半導体層１のバンドギャップ、あるいは不純物準位に
対応した光を照射する。するとまず光誘起磁性積層膜４
は反強磁性的結合に変化しようとするが、第２の磁性体
層３の磁化方向が反強磁性層９によって固定されている
ため、第１の磁性体層２の磁化方向が反転する。同時に
第１の磁性体層２に接している第３の磁性体層６の磁化
方向の向きも交換相互作用により反転するため、磁気抵
抗効果積層膜８の磁化方向が平行になる。磁気抵抗効果
積層膜８は磁化方向が平行のときと反平行のときとで電
気抵抗が大きく変化するため、光照射の前後でこれを読
み取ることができる。

【００５３】次に一例を説明する。実施例１と同じ要領
で熱酸化Ｓｉ基板上に反強磁性体層として１０ｎｍの厚
さのＦｅＭｎ下地層を設け磁気抵抗効果積層膜としてＣ
ｏ１ｎｍ／Ｃｕ２．５ｎｍ／Ｃｏ１ｎｍを成膜した後、
引き続き光誘起磁性積層膜としてＦｅ３ｎｍ／Ｓｉ１５
ｎｍ／Ｆｅ３０ｎｍ積層し、最後に再び１０ｎｍの厚さ
のＦｅＭｎ層を設けた。この時ビーム電流は３０ｍＡと
し、磁気抵抗効果積層膜を積層する時は加速電圧を７０
０Ｖ、光誘起磁性積層膜を積層する時は加速電圧を４０
０Ｖとした。他の成膜条件は実施例１とまったく同様で
ある。この磁気抵抗効果積層膜はスピン・バルブ効果を
利用したものである。

【００５４】この積層膜に対して波長６３３ｎｍのレー
ザーをパルス照射したところ、これに対応して図６に示
すように電気抵抗が変化した。１００ｎｓのパルス照射
に対して遅延無く、しかも大きな変化率５％を示してい
る。この実施例の光電変換素子も光センサーとして用い
ることができる。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、感
度が波長帯に依存しない新規な光電変換素子を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る光電変換素子の原理
を説明する概略図。

【図２】本発明の実施例１に係る光電変換素子のパル
スレーザーによる電気抵抗変化を示した図。

【図３】本発明の実施例３に係る光電変換素子のパル
スレーザーによる電気抵抗変化を示した図。

【図４】本発明の実施例４に係る光電変換素子の原理
を説明する概略図。

【図５】本発明の実施例５に係る光電変換素子の原理
を説明する概略図。

【図６】本発明の実施例５に係る光電変換素子のパル
スレーザーによる電気抵抗変化を示した図。

【符号の説明】

１；半導体層２；第１の磁性体層３；第２の磁性体層４；光誘起磁性積層膜５；非磁性体層６；第３の磁性体層７；第４の磁性体層８；磁気抵抗効果積層膜９、１０；反強磁性体層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の磁性体層と、第２の磁性体層と、
前記第１および第２の磁性体層間に介在する半導体層と
を有する第１の積層膜が、光照射により前記第１および
第２の磁性体層間の交換相互作用の符号を変化させて、
前記第１の磁性体層の磁化方向を選択的に変化させ、電
気抵抗の変化を起こす光電変換素子。
【請求項２】前記第２の磁性体層の保磁力が前記第１
の磁性体層の保磁力よりも大きい請求項１記載の光電変
換素子。
【請求項３】第１の磁性体層と、第２の磁性体層と、
前記第１および第２の磁性体層間に介在する半導体層と
を有する第１の積層膜と、前記第１の磁性体層に隣接した第３の磁性体層と、第４
の磁性体層と、前記第３の磁性体層を介して前記第１の
磁性体層と積層されかつ前記第３および第４の磁性体層
間に介在する非磁性体層とを有し磁気抵抗効果を示す第
２の積層膜とを備え、前記第１の積層膜が光照射により前記第１および第２の
磁性体層間の交換相互作用の符号を変化させて、前記第
１および第３の磁性体層の磁化方向を選択的に変化さ
せ、電気抵抗の変化を起こす光電変換素子。
【請求項４】前記第２および第４の磁性体層の磁化方
向が固定されている請求項３記載の光電変換素子。