JP2007081359A - スピン−軌道結合誘導磁場を利用したスピントランジスター - Google Patents

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Abstract

【課題】 オンオフ動作マージンが大きく雑音が少ないスピントランジスターを提供する。
【解決手段】 本発明によるスピントランジスターは、チャンネルが形成された基板部と;上記基板部上に相互離隔されて配置され磁化方向が相互同一強磁性体であるソース及びドレーンと;上記基板部上に形成され、上記チャンネルを通過する電子のスピン方向を調節するゲートを含み、上記ソース及びドレーンの磁化方向は上記チャンネルの長さ方向と垂直である。
【選択図】 図1

Description

本発明はスピン-軌道結合誘導磁場(spin−orbit coupling induced magnetic field)を利用したスピントランジスター素子に関することとして、特に、オンオフ動作マージンが大きく漏れ磁界による雑音が低減されたスピントランジスター素子に関する。
現代集積回路技術における代表的な素子はMOS電界効果トランジスター(MOSFET)を基盤としている。例えば、DRAMやフラッシュメモリー等のメモリー素子は勿論、注文型半導体、マイクロプロセッサー、論理回路などはオン-オフ(on-off)のスイッチング動作を遂行するMOSFETを基本構成要素で含んでいる。最近多く研究されている新概念素子としては、スピントランジスター(スピン−FET)というトランジスター素子がある。既存半導体基盤のトランジスターにおいては電気場を利用し半導体内の電荷のみを制御するに対して、スピントランジスターにおいては電荷とスピンを同時に制御する。スピントランジスターはスピン分極された電荷を制御することによりスイッチング素子及び論理回路などに利用され得る。
現在、半導体分野の核心素子として使用されるMOSFETはその消費電力と面積をこれ以上低減させることは難しい。また、MOSFETは酸化膜の物理的限界などに直面している。このような問題を改善するための方案中一つは、電荷スピンのすりこぎ運動を電圧で制御することである。このような素子の中からスピントランジスターはソース及びドレーンと、これらを繋いでくれるチャンネルを含む。スピントランジスターのチャンネルとしては量子井戸層を使用することが可能である。
しかし、従来提案されたスピントランジスターはソースとドレーンの磁化方向が電子の進行方向(チャンネル方向)と同じである。(例えば、Datta−Dasスピントランジスター(Applied phisics letter、vol56、665、1990)またはアメリカ特許第5、654、566号に開示された磁場スピン注入電界効果トランジスター等参照)。この場合、ソース及びドレーンの角部分から発生する漏れ磁場(stray field)により注入電子のスピン情報を無くしてしまう。これに伴い、有効スピン伝達距離が短くなり雑音を引き起こすことになる。
また、このような従来のスピントランジスターにおいてはゲート電圧で電子スピンのすりこぎ運動を調節することにより、ドレーンに到達した電子のスピン方向をドレーンの磁化方向と平行または反平行になるようにして、これにより抵抗を調節する。しかし、すりこぎ運動の角度を正確に調節するには非常に難しく、すりこぎ運動角度に合わせチャンネルの長さを正確に作ることもまた難しい。従って、トランジスターのオン-オフ動作マージンが非常に狭小でチャンネル長さに対する工程マージンもまた非常に小さい。結局、動作の正確性が衰え製造工程が難しくなる。
本発明は上記の問題点を解決するためのこととして、本発明の目的はオン-オフ動作マージンとチャンネル長さに対する工程マージンが改善され雑音が少ないスピントランジスターを提供することにある。
上述の技術的課題を達成するため、本発明によるスピントランジスターは、チャンネルが形成された基板部と;上記基板部上に相互離隔されて配置され磁化方向が相互同一強磁性体であるソース及びドレーンと;上記基板部上に形成され、上記チャンネルを通過する電子のスピン方向を調節するゲートを含むが、上記ソース及びドレーンの磁化方向は上記チャンネルの長さ方向と垂直であることを特徴とする。
好ましくは、上記基板部のチャンネルは量子井戸層で形成される。このような量子井戸層は2次元電子ガス(2-DEG)を有するため、上記井戸層内における電子移動度が非常に高いだけではなくスピン-軌道結合効果が大きい。上記量子井戸層はGaAs、InAs及びInGaAsからなるグループから選択された材料で形成され得る。
本発明の一実施形態によると、上記ソースとドレーン中少なくとも一つは強磁性金属であり得る。例えば、上記ソースとドレーン中少なくとも一つは、Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe及びこれらの組合せからなるグループから選択された材料で形成され得る。
本発明の他の実施形態によると、上記ソースとドレーン中少なくとも一つは強磁性半導体であり得る。例えば、上記ソースとドレーン中少なくとも一つは、(Ga、Mn)Asで形成され得る。
本発明の好ましい実施形態によると、上記基板部はドーピングされない上部及び下部クレッディング層とその間に介在されたInAs量子井戸層を含む。この場合、好ましくは上記上部及び下部クレッディング層各々はInGaAs層とInAlAs層の2層構造を有する2重クレッディング層からなる。また、上記下部クレッディング層の下にはドーピングされたInAlAs電荷供給層が形成され得る。また、上記上部クレッディング層上にはInAsキャッピング層が形成され得る。
本発明の好ましい実施形態によると、上記基板部は両側部が除去されたリッジ構造を有し上記リッジ構造によりチャンネルが限定される。また、好ましくは、上記リッジ構造の両側部には平坦化のための絶縁膜が形成されている。上記絶縁膜は例えば、SiOまたはTaOで形成され得る。
本発明の実施形態によると、上記トランジスターのオン-オフ(on-off)動作を制御するため、上記ゲート電圧の符号(+または-符号)として電子のスピンを上記
ソース及びドレーンの磁化方向と平行または反平行に調節することが可能である。上記誘導磁場の方向が上記注入された電子のスピン方向と同一である場合(すなわち、平行の場合)上記トランジスターはオン(on)状態にあり、上記誘導磁場の方向が上記注入された電子のスピン方向と反対の場合(すなわち、反平行の場合)上記トランジスターはオフ(off)状態にあるようになる。
本発明の他の実施形態によると、上記トランジスターのオン-オフ動作を制御するため、オフ状態においてはゲート電圧を除去しランダムなスピン電子が流れるようにし、オン状態においては上記ソースから注入された電子のスピン情報が維持される方向にゲート電圧を加えることが可能である。
本発明によると、強磁性体から成ったソース及びドレーンの磁化方向をチャンネルの長さ方向(すなわち、チャンネル電流の方向)と垂直になるようにする。これによって、ゲート電圧で発生されるスピン-軌道結合誘導磁場(効果磁場)はソース及びドレーンの磁化方向と同一か反対になる。従って、従来と同様のすりこぎ運動は発生せず、オン-オフ動作マージンは大きくなる。
本発明によると、強磁性体ソース及びドレーンの磁化方向をチャンネルの長さ方向と垂直にすることにより、オンオフ動作の動作マージンが大きくチャンネル長さの工程マージンが大きくなる。これに伴い、トランジスター動作の信頼性が高くなり製造工程が容易になる。また、ソース及びドレーンの短部から発生する漏れ磁界による悪影響が殆どないため、漏れ磁界による雑音が効果的に防止される。
以下、添付の図面を参照し本発明の実施形態を説明する。
しかし、本発明の実施形態は多様な他の形態に変形されることが可能であり、本発明の範囲が以下説明する実施形態に限定されることではない。本発明の実施形態は当業界において平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するため提供される。従って、図面における要素らの形状及び大きさ等はより明確な説明のため誇張されることが可能で、図面上の同一符号で表示される要素は同一要素である。
図1は本発明の一実施形態によるスピントランジスターの概略的な平面図及び断面図である。図1を参照すると、スピントランジスター50は量子井戸層7を有する基板部10と、その上に形成されたソース13及びドレーン14と、オン-オフ動作を制御するゲート17を含む。ゲート17はゲート絶縁膜16によりソース13及びドレーン14から絶縁されている。量子井戸層7はトランジスターのチャンネルを形成する。上記ソース13及びドレーン14は磁化された強磁性体からなり、相互同一磁化方向を有する。ソース13及びドレーン14を構成する強磁性体はFe、Co、Ni、CoFe、NiFe等の強磁性金属か、(Ga、Mn)As等の強磁性半導体であり得る。
本発明によると、ソース13及びドレーン14の磁化方向(Y方向)はチャンネルの長さ方向(すなわち、チャンネルにおける電子の進行方向;X方向)と垂直を成す。このように、ソース13及びドレーン14の磁化方向がチャンネル方向と垂直を成すと、ゲート電圧印加時発生するスピン-軌道結合誘導磁場(Heff)はソース13及びドレーン14の磁化方向(Y方向)と同一方向を有するか(平行)、反対方向を有するようになる(反平行)。従って、本発明においては電子のすりこぎ運動が発生しない。
ゲート電圧印加によりHeffの方向がソース13及びドレーン14の磁化方向と同一の場合(平行)、ドレーン14に到達した電子のスピンはドレーン14の磁化方向と平行になり低い抵抗を示す(“on”状態)。これに反して、ゲート電圧印加によりHeffの方向がソース13及びドレーン14の磁化方向と反対の場合(反平行)、ドレーン14に到達した電子のスピンの方向がドレーン14の磁化方向と反平行になり高い抵抗を示す(“off”状態)。
図2は本発明の一実施形態によるスピントランジスターの基板部を示す断面図である。図2に図示された通り、基板部10は半絶縁性のInP基板5上に順次に積層されたInAlAsバッファ層4、n+InAlAs電荷供給層3、InAlAs/InGaAs下部クレッディング層2、InAs量子井戸層7、InGaAs/InAlAs上部クレッド層2'及びInAsキャッピング層6を含む。
この基板部10は2次元電子ガス構造を有する。すなわち、InAs量子井戸層7は、ドーピングされない下部クレッディング層2と上部クレッディング層2'によりその井戸層7に電荷が閉じ込められることにより、量子井戸を形成するようになる。このような量子井戸は2次元電子ガス(2-DEG)を有するため、上記InAs量子井戸層7内における電子移動度が非常に高いだけではなくスピン-軌道結合効果が大きい。この量子井戸層7はスピントランジスターのチャンネル役割をする。
バッファ層4はInP基板5とその上に成長される2次元電子ガス構造との格子不一致を緩和するため形成される。また、基板部10の一番上にあるInAsキャッピング層6は工程途中発生し得る基板部10の酸化と変性を防止する役割をする。
本実施形態においては、チャンネル役割をする量子井戸層7としてInAs層を使用しているが、本発明はこれに限定されることではない。例えば、トランジスターのチャンネル役割をする量子井戸層7としてGaAs、InAsまたはInGaAsを使用することも可能である。
以下、図3aないし図3eを参照し、本発明の一実施形態によるスピントランジスターの製造工程を説明する。まず、図3aに図示された通り、図2に図示されたような多層構造を有する積層物を形成した後、リソグラフィー工程及びイオンミーリング工程を利用し、上記積層物の両側部が除去されたリッジ構造を有する基板部10を形成する。このリッジ構造により量子井戸層7のチャンネルが限定される。チャンネルを形成する量子井戸層7の幅は約100nm-800nm程度が適当である。
次に、図3bに図示された通り、平坦化のため図3aの結果物から上記リッジ構造の両側部に絶縁膜8を蒸着する。例えば、TaOまたはSiOで上記絶縁膜8を形成することが可能である。この絶縁膜8は隣接するチャンネルとの絶縁のためのことである。
次いで、図3cに図示された通り、電子ビームリソグラフィーとスパッタリング工程を利用し上記量子井戸層7の上に強磁性体を蒸着することにより、ソース13及びドレーン14を形成する。ソース13またはドレーン14はFe、Co、Ni、CoFe、NiFe及びこれらの組合せからなるグループから選択された強磁性金属材料で作られることが可能である。また、ソース13またはドレーン14は、((Ga、Mn)As)等の強磁性半導体材料から作られることが可能である。
前記の通り、ソース13及びドレーン14はその磁化方向がチャンネルの長さ方向と垂直になるよう配置される。これに伴い、ラシュバー(rashba)効果により発生されるスピン-軌道結合誘導磁場はドレーン14の磁化方向と平行か反平行になる。好ましくは、強磁性体(ソース及びドレーン)の厚さは60nm程度で、その大きさと形状は単一磁区を形成する条件を満足する。ソース及びドレーン形成後には図3dのように強磁性体がない部分に絶縁膜8'を充填し平坦な結果物を得る。
次に、図3eに図示された通り、基板部上に酸化膜でゲート絶縁膜16を形成しAl、Au等でゲート17を形成する。これによって、本実施形態によるスピントランジスター50を得るようになる。
以下、図4及び図5を参照し、本発明のスピントランジスターの動作を説明する。量子井戸層内においてはチャンネルを通る電子のウェーブバクトル(k)と垂直の電界(E)が存在するとスピン-軌道結合によりHeff∝k×Eの磁場が誘導される(ラシュバー(Rashba)効果)。これに伴い、チャンネルに沿ってX方向に電子が進行しゲート電圧によりZ方向に電界が加わると、Y方向のスピン-軌道結合誘導磁場が生じるようになる。本発明のスピントランジスターにおいては、このようなスピン-軌道結合誘導磁場を利用しチャンネルを通る電子のスピン方向を調節し、これによってトランジスターのオンオフ動作を遂行するようになる。本発明のスピントランジスター動作方法としては2つの方法を考慮することが可能である。第1のオンオフ動作方法が図4に開示されており、第2のオンオフ動作方法が図5に開示されている。
図4を参照すると、この動作方法においては、ゲート電圧の符号(+符号または-符号)として電子のスピンをソース及びドレーンの磁化方向と平行または反平行に調節する。
図4(a)に図示された通り、ゲート17に陽の電圧(+V)を加えると、スピン-軌道結合誘導磁場の方向(Y方向)はソース13及びドレーン14の磁化方向(Y方向)と同一になる(平行)-これは前記の通り、ソース13及びドレーン14の磁化方向(Y)がチャンネルの長さ方向(X)と垂直を成しているからである。従って、ソース13から注入されたスピン片極電子はスピン情報をそのまま維持しつつチャンネルを通過するようになる。この電子がドレーンに到達した時その到着点15における電子のスピンはドレーンの磁化と平行になるため、低い抵抗を示す。このように低い抵抗を示す状態はトランジスターのオン(on)状態に該当する。
その反面、図4(b)に図示された通り、ゲート17に陰の電圧(-V)を加えると、スピン-軌道結合誘導磁場の方向(-Y方向)はソース13及びドレーン15の磁化方向(Y方向)と反対になる(反平行)。従って、ソース13から注入されたスピン片極電子はスピン-軌道結合誘導磁場の影響を受けチャンネルを通ることにより電子のスピン方向が反対に変わるようになる。これに伴い、ドレーン到着点15における電子のスピンはドレーンの磁化と反平行になるため、相対的に高い抵抗を示す。このような高い抵抗を示す状態はトランジスターのオフ(off)状態に該当する。
このように、本発明のスピントランジスターにおいては電子のスピンすりこぎ運動が発生しない。従って、オンオフ動作のためのスピンすりこぎ運動の角度及びチャンネル長さ調節が必要ではない。但し、ソース及びドレーンに平行または反平行のスピン-軌道結合誘導磁場を使用し電子のスピン方向を容易に制御することが可能なため、オンオフ動作マージンが大きいだけではなく、チャンネル長さに対する工程マージンが大きい。従って、動作の信頼性が高く製造工程が容易になる。
図5は本発明によるスピントランジスターの他の動作方法を示している。図5を参照すると、図5(a)に図示された通り、オン状態のためのトランジスター動作は前記の図4(a)と同様である。すなわち、オン状態においては上記ソースから注入された電子のスピン情報が維持される方向にゲート電圧が加わる。
しかし、オフ(off)状態のために, 図5(b)に図示された通り、トランジスターのゲート電圧を0にする。すなわち、ゲート17に電圧を印加しないことにより、チャンネルを通る電子のスピンをランダムにする。特に、ゲート17電圧が0の状態においては、チャンネル長さをスピン拡散距離より長くすることにより電子はスピン情報を無くすようになる。
これに伴い、ドレーン到着点15に到達した電子のスピンはドレーン14の磁化方向と相当な角度を成すようになり、図5(a)の抵抗より相対的に高い抵抗、すなわち、オフ(off)状態を示すようになる。この動作方法は、チャンネル材料の構造的特徴によりスピン-軌道誘導結合誘導磁場が平行から反平行に変わっても電子スピンを反転させ難い場合、特に効果である。
本発明の長点ら中一つは、従来のスピントランジスターとは違って、強磁性体ソース及びドレーンの短部から発生する漏れ磁界の影響を少なく受けるということである。このような特徴は図6及び図7に詳しく示されている。図6は本発明のスピントランジスターにおける漏れ磁界の影響を概略的に示し、図7は従来のスピントランジスターにおける漏れ磁界の影響を概略的に示した図である。
図6を参照すると、ソース13とドレーン14は形状異方容易軸の長さ方向に磁化を形成する。前記のように、この磁化方向は相互同一であり、チャンネルの長さ方向とは垂直を成す。従って、チャンネル(量子井戸層7)を通過する電子は、ソース13及びドレーン14の短部から発生する漏れ磁界19の影響を殆ど受けない。これによって、漏れ磁界による雑音が非常に小さい。
しかし、図7に図示された従来のスピントランジスター50'のように、ソース13'とドレーン14'の磁化方向をチャンネル長さ方向と並んで配置すると、チャンネル(量子井戸層7')を通過する電子は、ソース13'及びドレーン14'の短部から発生する漏れ磁界19'の影響を相当受けるようになる。これに伴い、漏れ磁界による雑音が大きくなり、結局トランジスター動作の信頼性を劣らせるようになる。
本発明は上述の実施形態及び添付の図面により限定されることではなく、添付の請求範囲により限定しようとする。また、本発明は請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で多様な形態の置換、変形及び変更が可能ということは当技術分野の通常の知識を有する者には自明なことである。
本発明の一実施形態によるスピントランジスターの概略的な平面図及び断面図である。 2次元電子ガス構造を有するスピントランジスターの基板部を示す断面図である。 本発明の一実施形態によるスピントランジスターの製造方法を説明するための斜視図である。 本発明の一実施形態によるスピントランジスターの製造方法を説明するための斜視図である。 本発明の一実施形態によるスピントランジスターの製造方法を説明するための斜視図である。 本発明の一実施形態によるスピントランジスターの製造方法を説明するための斜視図である。 本発明の一実施形態によるスピントランジスターの製造方法を説明するための斜視図である。 本発明によるスピントランジスターのスイッチング動作の一例を説明するための図である。 本発明によるスピントランジスターのスイッチング動作の他の例を説明するための図である。 本発明のスピントランジスターの漏れ磁界を説明するための概略的な平面図及び断面図である。 従来のスピントランジスターの漏れ磁界を説明するための概略的な平面図及び断面図である。
符号の説明
50、50' スピントランジスター
2、2' クレッディング層
3 電荷供給層
4 バッファ層
5 InP基板
6 InAsキャッピング層
7 InAs井戸層
8、8' 絶縁膜
10 半導体基板部
13 ソース
14 ドレーン
16 ゲート絶縁膜
17 ゲート
19、19' 漏れ磁界

Claims (17)

  1. チャンネルが形成された基板部と;
    上記基板部上に相互離隔されて配置され磁化方向が相互同一強磁性体であるソース及びドレーンと;
    上記基板部上に形成され、上記チャンネルを通過する電子のスピン方向を調節するゲートを含み、
    上記ソース及びドレーンの磁化方向は上記チャンネルの長さ方向と垂直であることを特徴とするスピントランジスター。
  2. 上記基板部のチャンネルは量子井戸層で形成されることを特徴とする請求項1に記載のスピントランジスター。
  3. 上記量子井戸層はGaAs、InAs及びInGaAsからなるグループから選択された材料で形成されたことを特徴とする請求項2に記載のスピントランジスター。
  4. 上記ソースとドレーン中少なくとも一つは強磁性金属で形成されたことを特徴とする請求項1に記載のスピントランジスター。
  5. 上記強磁性金属はFe、Co、Ni、CoFe、NiFe及びこれらの組合せからなるグループから選択されることを特徴とする請求項4に記載のスピントランジスター。
  6. 上記ソースとドレーン中少なくとも一つは強磁性半導体で形成されたことを特徴とする請求項1に記載のスピントランジスター。
  7. 上記強磁性半導体は(Ga、Mn)Asであることを特徴とする請求項6に記載のスピントランジスター。
  8. 上記基板部は、ドーピングされない上部及び下部クレッディング層とその間に介在されたInAs量子井戸層を含むことを特徴とする請求項1に記載のスピントランジスター。
  9. 上記上部及び下部クレッディング層各々はInGaAs層とInAlAs層の2層構造を有する2重クレッディング層からなることを特徴とする請求項8に記載のスピントランジスター。
  10. 上記基板部は、上記下部クレッディング層の下に形成されたInAlAs電荷供給層をさらに含むことを特徴とする請求項8に記載のスピントランジスター。
  11. 上記基板部は、上記上部クレッディング層上に形成されたInAsキャッピング層をさらに含むことを特徴とする請求項8に記載のスピントランジスター。
  12. 上記基板部は両側部が除去されたリッジ構造を有し、上記リッジ構造によりチャンネルが限定されることを特徴とする請求項1に記載のスピントランジスター。
  13. 上記リッジ構造の両側部には平坦化のための絶縁膜が形成されたことを特徴とする請求項12に記載のスピントランジスター。
  14. 上記絶縁膜はSiOまたはTaOで形成されたことを特徴とする請求項13に記載のスピントランジスター。
  15. オン-オフ動作を制御するため、スピン-軌道結合誘導磁場を利用し上記ゲート電圧の符号として電子のスピンを上記ソース及びドレーンの磁化方向と平行または反平行に調節することを特徴とする請求項1に記載のスピントランジスター。
  16. 上記誘導磁場の方向が上記ソースから注入された電子のスピン方向と同一な場合、上記トランジスターはオン状態にあり、
    上記誘導磁場の方向が上記ソースから注入された電子のスピン方向と反対の場合、上記トランジスターはオフ状態にあるようになることを特徴とする請求項15に記載のスピントランジスター。
  17. 上記トランジスターのオン-オフ動作を制御するため、オフ状態においてはゲート電圧を除去しランダムなスピン電子が流れるようにし、オン状態においては上記ソースから注入された電子のスピン情報が維持される方向にゲート電圧を加えることを特徴とする請求項1に記載のスピントランジスター。
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