JP2007194300A - スピンfet及びスピンメモリ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の例に関わるスピンFETは、磁化方向が固定される磁気固着層12と、磁化方向が変化する磁気フリー層13と、磁気固着層12と磁気フリー層13との間のチャネルと、チャネル上にゲート絶縁層18を介して配置されるゲート電極19と、磁気フリー層13上に配置され、電場により磁化方向が変化する磁性層15とを備える。
【選択図】図1
Description
JAP97, 10C514 (2005) Science 30, 2004 vol.303 pp.661.
本発明の例では、スピンFETの磁気記録部又はスピンメモリのメモリセルに対するデータ書き込みに関して、少なくとも電場により書き込みデータの値、即ち、スピンの向きを制御する新しい原理を提案する。
次に、最良と思われるいくつかの実施の形態について説明する。
まず、本発明の例をスピンFETに適用した場合について説明する。
図1は、スピンFETの第1基本構造を示している。
第1基本構造は、スピン注入書き込み方式によりデータ書き込みを実行するショットキーバリアタイプスピンFETに関する。
図2は、スピンFETの第2基本構造を示している。
第2基本構造は、スピン注入書き込み方式によりデータ書き込みを実行するトンネルバリアタイプスピンFETに関する。
図3は、スピンFETの第3基本構造を示している。
第3基本構造は、電場のみでデータ書き込みを実行する新たな原理のショットキーバリアタイプスピンFETに関する。
図4は、スピンFETの第4基本構造を示している。
第4基本構造は、電場のみでデータ書き込みを実行する新たな原理のトンネルバリアタイプスピンFETに関する。
図5は、スピンFETの第5基本構造を示している。
第5基本構造は、スピン注入書き込み方式によりデータ書き込みを実行するショットキーバリアタイプスピンFETに関する。
図6は、スピンFETの第6基本構造を示している。
第6基本構造は、スピン注入書き込み方式によりデータ書き込みを実行するトンネルバリアタイプスピンFETに関する。
図7は、スピンFETの第7基本構造を示している。
第7基本構造は、電場のみでデータ書き込みを実行する新たな原理のショットキーバリアタイプスピンFETに関する。
図8は、スピンFETの第8基本構造を示している。
第8基本構造は、電場のみでデータ書き込みを実行する新たな原理のトンネルバリアタイプスピンFETに関する。
図9は、スピンFETの第9基本構造を示している。
第9基本構造は、電場のみでデータ書き込みを実行する新たな原理のショットキーバリアタイプスピンFETに関する。
図10は、スピンFETの第10基本構造を示している。
第10基本構造は、電場のみでデータ書き込みを実行する新たな原理のトンネルバリアタイプスピンFETに関する。
次に、本発明の例をスピンメモリに適用した場合について説明する。
図14は、スピンメモリの第1基本構造を示している。
図16は、スピンメモリの第2基本構造を示している。
図18は、スピンメモリの第3基本構造を示している。
図20は、スピンメモリの第4基本構造を示している。
本発明の例に関わるスピンFETの磁気記録部及びスピンメモリのメモリセルに使用する材料例について説明する。
次に、本発明の例に関わる製造方法のいくつかの例について説明する。
実際にサンプルを作成し、その特性を調べた結果を以下に示す。
第1実験例は、図4及び図22のスピンFETに関する。
第2実験例も、図4及び図35のスピンFETに関する。
第3実験例は、図16及び図23のスピンメモリに関する。
第4実験例は、図16及び図40のスピンメモリに関する。
第5実験例は、図33のスピンFETに関する。
第6実験例は、図30のスピンメモリに関する。
次に、本発明の例に関わるスピンFET及びスピンメモリの応用例について説明する。
リコンフィギャブル(re-configurable)なロジック回路とは、プログラムデータに基づいて、1つのロジック回路で複数のロジックのうちの1つを選択的に実現できる回路のことである。
図52は、リコンフィギャブルなロジック回路の第1例を示している。
図58は、リコンフィギャブルなロジック回路の第2例を示している。
尚、上記第1及び第2例においては、PチャネルタイプスピンFETとNチャネルタイプスピンFETとをペアで用いたが、同一のロジックが実現できれば、トランジスタの導電型については特に限定されることはない。
次に、本発明の例に関わるスピンFETを半導体メモリに適用する場合の例について説明する。
図65は、半導体メモリの例である。
システムLSIは、SoC(system on chip)を含む。
本発明の例に関わるスピンFETは、ロジック回路に使用する。また、メモリ回路については、通常の半導体メモリの他、本発明の例に関わるスピンFETをメモリセルとする半導体メモリ、本発明の例に関わるスピンメモリなどを使用できる。
本発明の例によれば、スピンFET及びスピンメモリの低消費電力化及び高信頼性を実現でき、また、スピンFETの場合には、不揮発性半導体メモリと混載可能なリコンフィギャブルなロジック回路を実現できる。
Claims (22)
- 磁化方向が固定される磁気固着層と、磁化方向が変化する磁気フリー層と、前記磁気固着層と前記磁気フリー層との間のチャネルと、前記チャネル上にゲート絶縁層を介して配置されるゲート電極と、前記磁気フリー層上に配置され、電場により磁化方向が変化する磁性層とを具備することを特徴とするスピンFET。
- 磁化方向が固定される磁気固着層と、磁化方向が変化する磁気フリー層と、前記磁気固着層と前記磁気フリー層との間のチャネルと、前記チャネル上にゲート絶縁層を介して配置されるゲート電極とを具備し、前記磁気フリー層は、電場により磁化方向が変化する磁性層から構成されることを特徴とするスピンFET。
- 請求項1又は2に記載のスピンFETにおいて、前記磁気固着層と前記チャネルとの間及び前記磁気フリー層と前記チャネルとの間の少なくとも1つにトンネルバリア層を具備することを特徴とするスピンFET。
- 前記磁性層の厚さ方向は、半導体基板の表面に対して垂直となる垂直方向であり、前記強磁性体の残留磁化の磁化方向は、前記垂直方向であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のスピンFET。
- 前記磁性層の厚さ方向は、半導体基板の表面に対して垂直となる垂直方向であり、前記強磁性体の残留磁化の磁化方向は、前記半導体基板の表面に対して水平となる水平方向であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のスピンFET。
- 前記磁性層は、強磁性強誘電体、及び、強磁性ナノ構造と強誘電ナノ構造とを有する複合材料のうちの1つにより構成されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のスピンFET。
- 前記磁性層は、Bi2FeCrO6、BiFeO3、BaTiO3-CoFe2O4 ナノ構造及びPbTiO3-CoFe2O4ナノ構造のうちの1つにより構成されることを特徴とする請求項6に記載のスピンFET。
- 前記磁性層は、強磁性体の割合と強誘電体の割合とが前記磁性層の厚さ方向に連続的に変化する複合材料から構成されることを特徴とする請求項6又は7に記載のスピンFET。
- 前記磁性層は、フェリ磁性強誘電体、及び、反強磁性強誘電体のうちの1つにより構成されることを特徴とする請求項1、3乃至5のいずれか1項に記載のスピンFET。
- 前記磁性層は、Cr2O3により構成されることを特徴とする請求項9に記載のスピンFET。
- 前記磁性層は、スピン方向の揃った伝導電子を取り出すスピンフィルター層としての機能を有することを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載のスピンFET。
- 磁化方向が固定される磁気固着層と、磁化方向が変化する磁気フリー層と、前記磁気固着層と前記磁気フリー層との間のトンネルバリア層と、前記磁気フリー層に隣接して配置され、電場により磁化方向が変化する磁性層とを備えるメモリセルを具備することを特徴とするスピンメモリ。
- 磁化方向が固定される磁気固着層と、磁化方向が変化する磁気フリー層と、前記磁気固着層と前記磁気フリー層との間のトンネルバリア層とを備えるメモリセルを具備し、前記磁気フリー層は、電場により磁化方向が変化する磁性層から構成されることを特徴とするスピンメモリ。
- 請求項12に記載のスピンメモリにおいて、前記磁気フリー層と前記磁性層との間に非磁性層を具備することを特徴とするスピンメモリ。
- 前記磁性層の厚さ方向は、半導体基板の表面に対して垂直となる垂直方向であり、前記強磁性体の残留磁化の磁化方向は、前記垂直方向であることを特徴とする請求項12乃至14のいずれか1項に記載のスピンメモリ。
- 前記磁性層の厚さ方向は、半導体基板の表面に対して垂直となる垂直方向であり、前記強磁性体の残留磁化の磁化方向は、前記半導体基板の表面に対して水平となる水平方向であることを特徴とする請求項12乃至14のいずれか1項に記載のスピンメモリ。
- 前記磁性層は、強磁性強誘電体、及び、強磁性ナノ構造と強誘電ナノ構造とを有する複合材料のうちの1つにより構成されることを特徴とする請求項12乃至16のいずれか1項に記載のスピンメモリ。
- 前記磁性層は、Bi2FeCrO6、BiFeO3、BaTiO3-CoFe2O4 ナノ構造及びPbTiO3-CoFe2O4ナノ構造のうちの1つにより構成されることを特徴とする請求項17に記載のスピンメモリ。
- 前記磁性層は、強磁性体の割合と強誘電体の割合とが前記磁性層の厚さ方向に連続的に変化する複合材料から構成されることを特徴とする請求項17又は18に記載のスピンメモリ。
- 前記磁性層は、フェリ磁性強誘電体、及び、反強磁性強誘電体のうちの1つにより構成されることを特徴とする請求項12、14乃至16のいずれか1項に記載のスピンメモリ。
- 前記磁性層は、Cr2O3により構成されることを特徴とする請求項20に記載のスピンメモリ。
- 前記磁性層は、スピン方向の揃った伝導電子を取り出すスピンフィルター層としての機能を有することを特徴とする請求項12乃至21のいずれか1項に記載のスピンメモリ。
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