JP2003078147A - 電荷注入型スピントランジスタ - Google Patents

電荷注入型スピントランジスタ

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charge
injection type
oxide layer
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良治 藤原
Takatsugi Wada
隆亜 和田
Yoji Teramoto
洋二 寺本
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁場以外の他の制動によって電荷整列相転移
を誘起させ、これをメモリデバイスに用いた電荷注入型
スピントランジスタを得る。 【解決手段】 ペロブスカイト型Mn酸化物層12にソ
ース電極13、ドレイン電極14を設け、さらに上記電
荷整列相転移を誘起させるために上記ペロブスカイト型
Mn酸化物層12上に絶縁層15を介してゲート電極1
6を有する構造とする。このゲート電極16に電圧を印
加することによりペロブスカイト型Mn酸化物層12内
のキャリア(ホール)密度を制御する。このことで、磁
場以外の他の制動によって電荷整列相転移を誘起させ、
これをメモリデバイスに用いることを可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、大容量メモリやセ
ンサーに利用可能な磁気抵抗効果を用いた電荷注入型ス
ピントランジスタに関し、特に、電流あるいは電荷によ
って誘起される電荷整列相転移を用いた電荷注入型スピ
ントランジスタに関する。
【0002】
【従来の技術】従来、電荷注入型スピントランジスタ
は、例えば、メモリに適用される。昨今のメモリの動向
を考えると、強誘電体を用いた強誘電体キャパシターメ
モリ(FRAM(登録商標))の開発発展に注力してい
ると言えよう。最近の強誘電体のメモリ応用の分野にお
いては電界効果型メモリ素子(FE−FET)が注目さ
れており、期待通りに動作すれば究極のメモリと言え
る。
【0003】一方磁気メモリも、情報化社会の発展に伴
い年々高密度化を続けており、現在では年率60%の面
記憶密度の増加率で推移している。近い将来には15〜
30MBit/m(10〜20GBit/in)ク
ラスの面密度記憶の磁気メモリが出現するものと考えら
れる。このような高密度記憶への応用に向けては、磁気
抵抗率(MR比)の大きな変調が重要である。ヘッドを
例にとると現在MR比(Magneto-Resistive)ヘッドが
使われているが、最近ではより感度の高いスピンバルブ
GMRヘッドが使われ始めた。MR比の値としては、M
R膜で2%、スピンバルブ膜で7%程度である。更に、
上記磁気抵抗効果を磁気ランダム・アクセス・メモリ
(MRAM)への応用の試みも試験的に開始されつつあ
る。
【0004】上記のMR比が大きくとれる現象として、
Fe/Cr金属人工格子を代表とする磁性多層膜の巨大
磁気抵抗効果[GMRと略す、例えば、M,N, Baibich,
J.M.Broto, A.Fert, Nguyen Van Dau, F, Petroff, P.E
tienne, G.Creuzet, A.Friederich and J.Chazel as:Ph
vs.Rev.Lett.,61(1988),2472]や、強磁性トンネル接合
での磁気抵抗効果[TMRと略す、例えば、T.Miyazaki
and N.Tezuka:J.Magn. Magn Mater.139(1995)L231]等
の研究も盛んに行われている。これらの文献等で報告さ
れた最大の飽和磁気抵抗変化は、25%以下のオーダー
である。
【0005】更に大きな磁気抵抗変化を示す現象に、超
巨大磁気抵抗効果(Colossal Magneto-Resistance effe
ct:CMR)[A.Asamitsu, Y.Morimoto, Y.Tomioka, T.Arim
uraand Y.Tokura: Nature, 373(1995)407]が最近注目さ
れている。
【0006】上記の効果とは、ここ数年のうちに再発見
されたペロブスカイト型Mn酸化物R1−xMnO
(RはLa,Pr,Ndなどの+3価の希土類イオ
ン、AはCa,Sr,Ba,Pbなどの+2価のイオ
ン)において観察される巨大な負のMR効果、さらには
MR効果の究極ともいえる磁場誘起絶縁体−金属転移
(field-induced insulator-metal transition)を指
す。この系における著しい特徴の一つは、R3+イオン
をA2+イオンで一部(x)置換しキャリドーピングを
行うと絶縁体−金属転移を起こし、さらに強磁性金属相
がキュリー温度Tc以下で出現することである。
【0007】この系の第2の特徴は、種々の(R3+
2+)の組み合わせによって、キャリアー密度xとキ
ャリアーのトランスファー積分(伝達相互作用)t、即
ち、1電子バンド幅Wという2つのパラメータをかなり
精密に制御できることである。例えば、CMR材料とし
てLa1−xSrMnO(x=0.175)を例に
とると、T=283KではMR比が90%(H=0とH
=15ステラの比)、また、Pr1−xCaMnO
(x=0.3)を例にとると、T=20KではMR比が
1011(H=0とH=6テスラの比)もの大きさにな
る。
【0008】また、本発明と技術分野の類似する他の従
来例として、特開平10−255481号公報がある。
本従来例は、バルクのペロブスカイト型Mn酸化物(P
.7Ca0.3MnO)に電圧を印加することに
より誘起される電荷整列相転移を、メモリに応用しよう
としたものである。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来技術では、ペロブスカイト型Mn酸化物において大
きなMR比を得る場合には、大きな外部磁場を印加する
必要がある。また、上記従来の特開平10−25548
1号公報では、高抵抗状態と低抵抗状態を実現するだけ
で、メモリデバイスとしての機能は果たしていない問題
を伴う。
【0010】本発明は、磁場以外の他の制動によって電
荷整列相転移を誘起させこれをメモリデバイスに用いた
電荷注入型スピントランジスタを提供することを目的と
する。より詳細には、本発明は、ペロブスカイト型Mn
酸化物層にソース、ドレイン電極を設け、さらに上記電
荷整列相転移を誘起させるためにペロブスカイト型Mn
酸化物層上に絶縁層を介してゲート電極を有し、ゲート
電極に電圧を印加することにより、ペロブスカイト型M
n酸化物層内のキャリア(ホール)密度を制御する電荷
注入型スピントランジスタを提供することを目的とす
る。
【0011】
【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、請求項1記載の発明の電荷注入型スピントランジス
タは、基体上に設けられた電荷整列相転移効果を持つ酸
化物層、並びにソース電極、ドレイン電極と、ソース電
極、ドレイン電極とゲート電極間に形成されたこのゲー
ト電極から電荷を注入する酸化物層とを有して構成され
たことを特徴としている。
【0012】請求項2記載の発明では、請求項1記載の
電荷注入型スピントランジスタにおいて、電荷整列相転
移効果を持つ酸化物層は、MnOを母体とするMn系
ペロブスカイト酸化物であるとよい。
【0013】請求項3記載の発明では、請求項2記載の
電荷注入型スピントランジスタにおいて、Mn系ペロブ
スカイト酸化物は、Pr1−xCaMnOなる構造
を有したCaを添加したPrCaMnOであるとする
とよい。
【0014】請求項4記載の発明では、請求項1に記載
の電荷注入型スピントランジスタにおいて、前記Mn系
ペロブスカイト酸化物は、Nd1−xSrMnO
る構造を有したSrを添加したNdSrMnOである
とするとよい。
【0015】請求項5記載の発明では、請求項1乃至4
の何れかに記載の電荷注入型スピントランジスタにおい
て、前記基体はSrTiO単結晶体であるとするとよ
い。
【0016】請求項6記載の発明では、請求項1乃至4
の何れかに記載の電荷注入型スピントランジスタにおい
て、前記基体が表面に熱酸化シリコンを有するシリコン
であるとするとよい。
【0017】請求項7記載の発明では、請求項1乃至4
の何れかに記載の電荷注入型スピントランジスタにおい
て、前記基体がMgO単結晶体であるとするとよい。
【0018】
【発明の実施の形態】次に、添付図面を参照して本発明
による電荷注入型スピントランジスタの実施の形態を詳
細に説明する。図1〜図7を参照すると、本発明の電荷
注入型スピントランジスタの一実施形態が示されてい
る。
【0019】図1は、本発明を適用可能な電荷注入型ス
ピントランジスタの基本構成を示す模式図である。同図
1において、本実施形態の電荷注入型スピントランジス
タは、基体11、ペロブスカイト型Mn酸化物層12、
ソース電極13、ドレイン電極14、絶縁層15、ゲー
ト電極16とを有して構成される。
【0020】基体11は、積層するペロブスカイト型M
n酸化物層12の格子定数に近い格子定数をもつ物質を
用いて構成される。絶縁層15は、上記ゲート電極16
とペロブスカイト型Mn酸化物層12との間の絶縁をと
るための層である。ゲート電極16は、上記ペロブスカ
イト型Mn酸化物層12の電荷整列相転移を誘起させる
ために電荷を注入するための電極である。
【0021】次に、本発明のスピントランジスタの動作
を図2に基づいて説明する。図2は、本発明の電荷注入
型スピントランジスタの書き込み時、メモリ時、消去時
の状態を模式的に表した図である。尚図2中の各構成部
は、ペロブスカイト型Mn酸化物層22、上記ペロブス
カイト型Mn酸化物層に電荷を注入・引き抜きが行われ
相転移が起こる部分221、ソース電極23、ドレイン
電極24、上記ペロブスカイト型Mn酸化物層22の電
荷整列相転移を誘起させるために電荷を注入するゲート
電極26、上記ゲート電極26とペロブスカイト型Mn
酸化物層22との間の絶縁をとるための絶縁層25であ
る。
【0022】また図3は、図2における各状態に対応す
るソース−ドレイン間の導電率を示している。図3にお
いて、符号aはゲート電極に負の電位を印加した状態で
図2(a)に相当し、図2の部分221が強磁性金属層
に層転移し低抵抗状態になっており、書き込みが行われ
ている状態を表す。図2(b)はゲート電極に符号aの
場合と逆の極性の電位を印加した状態であり、図3にお
いては符号bに相当し、図2の部分221が常磁性絶縁
体層に層転移し高抵抗状態になっており、消去が行われ
ている状態を表す。図2(c)は図3において符号aの
ゲート電位から符号bのゲート電位に電位を減少させた
途中の状態であり、図3の符号cに相当し低抵抗状態を
保持している状態を表す。図2(d)は図3おける符号
bのゲート電位から符号aのゲート電位に電位を増加さ
せている途中の状態であり、図3における符号dに相当
し、高抵抗抵抗状態を保持している状態を表す。図3か
ら明らかなように、以上説明した符号aから符号dまで
の状態を経ることで、ソース−ドレイン間の抵抗(導電
率)はヒステリシスを描くことになり、メモリ素子を実
現できる。
【0023】
【実施例】以下に本発明の電荷注入型スピントランジス
タの実施例を示し、本発明を詳しく説明する。
【0024】(実施例1)図4に、本発明の電荷注入型
スピントランジスタにおける一つの実施形態の模式図を
示す。図4において本実施形態の電荷注入型スピントラ
ンジスタは、チタン酸ストロンチウム(SrTiO
STOと略記する)単結晶基板により構成される基体4
1Pr1−xCaMnOにより構成されるペロブス
カイト型Mn酸化物層42、Pt電極であるソース電極
43、Pt電極であるドレイン電極44、上記ゲート電
極46とペロブスカイト型Mn酸化物層42との間の絶
縁をとるためのSiOである絶縁層45、上記ペロブ
スカイト型Mn酸化物層42の電荷整列相転移を誘起さ
せるために電荷を注入するためのPt電極であるゲート
電極46、を有して構成される。
【0025】次に本発明の電荷注入型スピントランジス
タの作製方法について図5を用いて説明する。
【0026】工程(1);基体51として上記に述べた
STO単結晶基板を用い、これを充分洗浄しておく。 工程(2);該基板51上にPr−Ca−Mnゾル溶液
をスピンコートして、Pr−Ca−Mnゲル膜を形成す
る。次に大気中250℃で30分焼成し脱有機・脱水を
行った後、大気中1000℃で3時間焼成しPr1−x
CaMnO薄膜を700Å形成する。 工程(3); 工程(2)の操作を3回繰り返してPr
1−xCaMnO薄膜52を約2000Å形成す
る。 工程(4);上記Pr1−xCaMnO薄膜上に、
白金ソース電極53を1000Å、白金ドレイン電極5
4を1000Åスッパタ法にて作製する。尚、各白金電
極のこのPr1−xCaMnO薄膜に対する密着性
を向上させるため、白金の下地としてTiを50Åあら
かじめスパッタしておく。 工程(5);上記Pr1−xCaMnO薄膜を挟む
白金ソース電極53、白金ドレイン電極54間に反応性
スパッター法を用いて、絶縁層としてSiOを100
0Åスパッタする。 工程(6);最後に上記絶縁層上にゲート電極として白
金を1000Aスパッタ成膜して、デバイスを完成させ
る。
【0027】尚、上記工程(2)に用いたゾルゲル溶液
の調整法を図6をもとに説明する。
【0028】まず、Pr、Caに対してそれぞれPrア
ルコキシド、Caアルコキシドを、またMnに対してM
nカルボン酸塩を選ぶ。ここで好ましくはアルコキシド
はメトキシド、エトキシド、イソプロポキシド、n−プ
ロポキシド、n−ブトキシド、sec−ブトキシド、t
ert−ブトキシドが良好な結果を与える。これらの金
属原料を所望の組成比が得られるよう秤量する。
【0029】次に前記の金属原料を有機溶媒中に溶解さ
せるが、この有機溶媒としてはアルコール、アルコキシ
ドアルコール等を用いることができる。好ましくはアル
コールはメタノール、エタノール、イソプロパノール
(IPAと略記)、n−プロパノール、n−ブタノー
ル、sec−ブタノール、tert−ブタノール、アル
コキシドアルコールは2−メトキシエタノール、2−エ
トキシエタノール、2−プロポキシエタノール、2−ブ
トキシエタノール、1−メトキシ−2−プロパノールが
良好な結果を与える。またトルエン、キシレンも良好な
結果を与える。
【0030】具体的には以下のような手順によりゾルゲ
ル溶液を調整する。まず、Prアルコキシド、Caアル
コキシドをアルコール、アルコキシアルコールのいずれ
か、あるいはその両方に溶解させた溶液を溶液1とし
(図6ではIPAを例としている)、Mnカルボン酸塩
をアルコール、アルコキシアルコールのいずれか、ある
いはその両方に溶解させた溶液を溶液2とする。次に溶
液1と溶液2を混合した溶液を80〜130℃で還流
し、Pr−Ca−Mnゾルゲル溶液を得る。
【0031】このようにして得られたスピントランジス
タのゲート電極電圧とソースードレイン間の抵抗率の関
係を測定したところ、図7のようになり、トランジスタ
としての特性を確認した。
【0032】(実施例2)実施例1の図5の工程
(2)、工程(3)においてゾルゲル法の代わりにレー
ザーアブレーション法を用い、その他は実施例1と同一
の工程で本発明のスピントランジスタを作製した。
【0033】表1に本実施例2に用いたレーザーアブレ
ーションの条件を示す。尚、ターゲットは以下のように
作製した。即ち、Pr6011とCaCOおよびM
の各粉末を、Pr:Ca:Mnの原子比が、
0.7:0.3:1になる割合で秤量し、これにエタノ
ールを加えて、めのう乳鉢で40分かき混ぜた。そして
前記混合物を大気中にて1000℃で24時間焼成し、
粉砕した後再び混合し更にもう―度焼成し、粉砕混合し
た。得られた粉末混合物を1ton/cmでプレス
し、大気中にて1100℃で48時間加熱し焼成してタ
ーゲットを作製した。
【0034】
【表1】 このようにして得られたスピントランジスタのゲート電
極電圧とソース−ドレイン間の抵抗率の関係を測定した
ところ、実施例1と同様な特性が得られた。
【0035】(実施例3)本実施例3では、実施例1の
Pr1−xCaMnO薄膜のかわりにNd .5
0.5MnO薄膜を用いたところ、温度50Kにお
いて実施例1と同様なヒステリシスが得られた。
【0036】尚、上述の実施形態は、本発明の好適な実
施の一例である。但し、これに限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形
実施が可能である。
【0037】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ペロブスカイト型Mn酸化物層にソース、ドレイン電極
を設け、さらに上記電荷整列相転移を誘起させるために
上記ペロブスカイト型Mn酸化物層上に絶縁層を介して
ゲート電極を有する構造実現している。このことで、磁
場以外の他の制動によって電荷整列相転移を誘起させ、
これをメモリデバイスに用いることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電荷注入型スピントランジスタの構成
を説明する模式図である。
【図2】本発明における電荷注入型スピントランジスタ
の動作原理説明するモデル図である。
【図3】本発明における電荷注入型スピントランジスタ
のヒステリシスを示す図である。
【図4】本発明の電荷注入型スピントランジスタの実施
例の一例である。
【図5】本発明の電荷注入型スピントランジスタの作製
工程図である。
【図6】本発明に用いるゾルゲル溶液の調整工程図であ
る。
【図7】本発明の電荷注入型スピントランジスタのゲー
ト電圧とソース−ドレイン間の抵抗率の関係を示す図で
ある。
【符号の説明】
11,41,51,:基体(STO) 12,31,42,52:ペロブスカイトMn酸化物層 l3,43,53:ソース電極 l4,44,54:ドレイン電極 15,32,45,55:絶縁層 16,33,46,56:ゲート電極
フロントページの続き (72)発明者 寺本 洋二 東京都大田区下丸子3丁目30番2号キヤノ ン株式会社内 Fターム(参考) 5F058 BA11 BB06 BD01 BD04 BD05 BF12 BF46 BH01 BJ01 5F083 FZ10

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基体上に設けられた電荷整列相転移効果
    を持つ酸化物層、並びにソース電極、ドレイン電極と、
    ゲート電極間に形成された該ゲート電極からの電荷を注
    入する酸化物層とを有して構成されたことを特徴とする
    電荷注入型スピントランジスタ。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の電荷注入型スピントラン
    ジスタにおいて電荷整列相転移効果を持つ酸化物層は、
    MnOを母体とするMn系ペロブスカイト酸化物であ
    ることを特徴とする電荷注入型スピントランジスタ。
  3. 【請求項3】 請求項2記載の電荷注入型スピントラン
    ジスタにおいて、前記Mn系ペロブスカイト酸化物は、
    Pr1−xCaMnOなる構造を有したCaを添加
    したPrCaMnOであることを特徴とする請求項1
    に記載の電荷注入型スピントランジスタ。
  4. 【請求項4】 請求項2記載の電荷注入型スピントラン
    ジスタにおいて、前記Mn系ペロブスカイト酸化物は、
    Nd1−xSrMnOなる構造を有したSrを添加
    したNdSrMnOであることを特徴とする請求項1
    に記載の電荷注入型スピントランジスタ。
  5. 【請求項5】 請求項1乃至4の何れかに記載の電荷注
    入型スピントランジスタにおいて、前記基体はSrTi
    単結晶体であることを特徴とする請求項1記載の電
    荷注入型スピントランジスタ。
  6. 【請求項6】 請求項1乃至4の何れかに記載の電荷注
    入型スピントランジスタにおいて、前記基体が表面に熱
    酸化シリコンを有するシリコンであることを特徴とする
    請求項1記載の電荷注入型スピントランジスタ。
  7. 【請求項7】 請求項1乃至4の何れかに記載の電荷注
    入型スピントランジスタにおいて、前記基体がMgO単
    結晶体であることを特徴請求項1記載の電荷注入型スピ
    ントランジスタ。
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