JP2009105285A - Spin filter effect element, and spin transistor - Google Patents
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Description
本発明は、スピンフィルタ効果素子及びスピントランジスタに関する。 The present invention relates to a spin filter effect element and a spin transistor.
近年、スピンエレクトロニクスに対する研究が注目されている。スピントランジスタは、電子のスピンを利用したトランジスタであり、新技術のイノベーションを起こすものとして期待されている。スピントランジスタは、新たな構造の記憶素子や、多機能の論理回路として利用することもでき、また、磁性体プロセスを用いて製造されることから、磁性素子の制御素子としての利用も考えられる。 In recent years, research on spin electronics has attracted attention. Spin transistors are transistors that use electron spin, and are expected to cause innovations in new technologies. The spin transistor can be used as a memory element having a new structure or a multi-function logic circuit. Since the spin transistor is manufactured using a magnetic process, it can be used as a control element of the magnetic element.
例えば、下記特許文献1の図11において、強磁性体からなるソース電極とドレイン電極との間に非磁性の半導体層を設け、この半導体層上にゲート絶縁層を介してゲート電極層を設けたスピントランジスタが開示されている。
For example, in FIG. 11 of
この従来技術のスピントランジスタにおいては、ソース電極によってスピン偏極した電子が半導体層に注入される。即ち、ソース電極は通常の電極としての機能と、スピンフィルタ効果膜としての機能を兼ねており、半導体層と共にスピンフィルタ効果素子を構成している。また、半導体層に注入される電子のスピンの偏極方向はソース電極の磁化方向に依存し、半導体層に注入される電子のスピン偏極率はスピンフィルタ効果膜であるソース電極のスピン偏極率に依存する。 In this conventional spin transistor, electrons spin-polarized by the source electrode are injected into the semiconductor layer. That is, the source electrode has a function as a normal electrode and a function as a spin filter effect film, and constitutes a spin filter effect element together with the semiconductor layer. The direction of spin polarization of electrons injected into the semiconductor layer depends on the magnetization direction of the source electrode, and the rate of spin polarization of electrons injected into the semiconductor layer depends on the spin polarization of the source electrode that is a spin filter effect film. Depends on rate.
そして、半導体層のチャネルを通ってドレイン電極内に注入される電子は、その偏極の方向に依存して散乱される。換言すれば、ソース電極から半導体層内のチャネルに注入された電子は、半導体層とドレイン電極との界面でスピン依存散乱する。即ち、ドレイン電極は通常の電極としての機能と、特定の方向に偏極した電子を優先的に受け入れるスピンフィルタ効果膜としての機能とを兼ねており、半導体層と共にスピンフィルタ効果素子を構成している。そのため、ソース電極とドレイン電極の磁化の向きが平行の場合には、ソース・ドレイン電極間の抵抗は小さくなり、反平行の場合にはその抵抗は大きくなる。 Electrons injected into the drain electrode through the channel of the semiconductor layer are scattered depending on the direction of polarization. In other words, electrons injected from the source electrode into the channel in the semiconductor layer are spin-dependently scattered at the interface between the semiconductor layer and the drain electrode. In other words, the drain electrode has both a function as a normal electrode and a function as a spin filter effect film that preferentially accepts electrons polarized in a specific direction, and constitutes a spin filter effect element together with the semiconductor layer. Yes. Therefore, when the magnetization directions of the source electrode and the drain electrode are parallel, the resistance between the source and drain electrodes is small, and when the magnetization direction is antiparallel, the resistance is large.
スピントランジスタの記憶素子等への応用を考えた場合、ソース電極とドレイン電極の磁化の向きが平行の場合と反平行の場合における、ソース・ドレイン電極間の抵抗変化率(以下、「ソース・ドレイン電極間の磁気抵抗率」という。)は大きい程好ましい。そして、ソース・ドレイン電極間の磁気抵抗率は、ソース電極及びドレイン電極と半導体層とで構成されるスピンフィルタ効果素子のスピンフィルタ効果の強さに依存し、このスピンフィルタ効果の強さは、主にソース電極及びドレイン電極を構成する強磁性体のスピン分極率に依存する。 When considering application to a storage element of a spin transistor, the rate of change in resistance between the source and drain electrodes (hereinafter referred to as “source / drain” when the magnetization directions of the source electrode and the drain electrode are parallel and antiparallel) The greater the "magnetic resistivity between the electrodes"), the better. The magnetic resistivity between the source and drain electrodes depends on the strength of the spin filter effect of the spin filter effect element composed of the source and drain electrodes and the semiconductor layer, and the strength of the spin filter effect is It depends mainly on the spin polarizability of the ferromagnetic material constituting the source electrode and the drain electrode.
スピン分極率の高い強磁性体を用いたスピンフィルタ効果素子としては、例えば、下記特許文献2に開示されたものを挙げることができる。このスピンフィルタ効果素子は、薄い強磁性絶縁層を強磁性体からなる電極と非磁性体からなる電極とで挟んだ構造を有しており、薄い強磁性絶縁層としてスピン分極率の高いスピネルフェライトを用いている。このスピンフィルタ効果素子は、強磁性絶縁層と強磁性体からなる電極とからなるスピンフィルタ効果膜を有し、このスピンフィルタ効果膜から非磁性体からなる電極へスピン偏極電子を注入する素子と見ることができる。このような構造によって、スピン偏極率の高い電子を非磁性体からなる電極に注入することが可能なスピンフィルタ効果素子を実現している。しかし、スピントランジスタへの応用を考えた場合、半導体層に対してスピン偏極電子を注入する必要があるため、このようなスピンフィルタ効果素子をそのままスピントランジスタに用いることはできない。 Examples of the spin filter effect element using a ferromagnetic material having a high spin polarizability include those disclosed in Patent Document 2 below. This spin filter effect element has a structure in which a thin ferromagnetic insulating layer is sandwiched between a ferromagnetic electrode and a non-magnetic electrode, and a spinel ferrite having a high spin polarizability as a thin ferromagnetic insulating layer. Is used. This spin filter effect element has a spin filter effect film composed of a ferromagnetic insulating layer and an electrode made of a ferromagnetic material, and injects spin-polarized electrons from the spin filter effect film into an electrode made of a nonmagnetic material Can be seen. With such a structure, a spin filter effect element capable of injecting electrons having a high spin polarization rate into an electrode made of a nonmagnetic material is realized. However, when considering application to a spin transistor, since it is necessary to inject spin-polarized electrons into the semiconductor layer, such a spin filter effect element cannot be used as it is in a spin transistor.
また、ソース・ドレイン電極間の磁気抵抗率が高いスピントランジスタを実現するには、スピンフィルタ効果膜としてスピン分極率の高い強磁性体を用いることに加え、スピンフィルタ効果膜と半導体層とを適切な大きさのショットキー障壁が形成されるようにショットキー接触させる必要があることが知られている。即ち、このようにスピンフィルタ効果膜と半導体層とを接触させると、スピンフィルタ効果膜の強磁性体内のスピン偏極電子がスピンフィルタ効果膜と半導体層との界面を通過する際にスピン散乱される確率を低減させることができる。その結果、スピン分極率の高い電子がスピンフィルタ効果膜から半導体層内に注入されることになる。そのため、下記特許文献1の図11に開示されたスピントランジスタにおいては、スピンフィルタ効果膜となるソース電極とドレイン電極を構成する材料として、強磁性体であり、かつ、半導体層と適切にショットキー接合するものを用いている。
しかしながら、従来のスピントランジスタにおいてソース・ドレイン電極間の磁気抵抗率を高くするためには、それに用いられるスピンフィルタ効果膜を、分極率の高い強磁性体であり、かつ、半導体層と適切にショットキー接合するという2つの条件を同時に満たす材料で構成しなければならなかった。このため、例えば、スピンフィルタ効果膜を構成する材料として分極率の高い強磁性体を選択すると半導体層と適切にショットキー接合するという条件を十分に満たさない場合があり、また、スピンフィルタ効果素子を構成する材料として半導体層と適切にショットキー接合する材料を選択すると、分極率の高い強磁性体という条件を十分に満たさない場合があった。 However, in order to increase the magnetoresistance between the source and drain electrodes in a conventional spin transistor, the spin filter effect film used for it is a ferromagnetic material having a high polarizability and is appropriately shot with a semiconductor layer. The material must satisfy the two conditions of key joining at the same time. For this reason, for example, if a ferromagnetic material having a high polarizability is selected as the material constituting the spin filter effect film, the condition for proper Schottky junction with the semiconductor layer may not be sufficiently satisfied. When a material that appropriately schottky-joins with a semiconductor layer is selected as the material that constitutes the material, the condition of a ferromagnetic material having a high polarizability may not be sufficiently satisfied.
その結果、半導体層にスピン偏極した電子を注入する効果、及び、半導体層からスピン偏極電子が注入される際にスピン依存散乱を生じさせる効果(以下、「半導体層に対するスピンフィルタ効果」という。)を十分に発揮するスピンフィルタ効果素子を得ることが困難であるという問題があった。さらに、半導体層に対するスピンフィルタ効果を十分に発揮するスピンフィルタ効果素子を得ることが困難であるため、ソース・ドレイン電極間の磁気抵抗率が十分に高いスピントランジスタを実現することが困難であるという問題があった。 As a result, the effect of injecting spin-polarized electrons into the semiconductor layer and the effect of causing spin-dependent scattering when spin-polarized electrons are injected from the semiconductor layer (hereinafter referred to as “spin filter effect on the semiconductor layer”) There is a problem that it is difficult to obtain a spin filter effect element that sufficiently exhibits. Furthermore, since it is difficult to obtain a spin filter effect element that sufficiently exhibits the spin filter effect on the semiconductor layer, it is difficult to realize a spin transistor having a sufficiently high magnetoresistance between the source and drain electrodes. There was a problem.
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、半導体層に対するスピンフィルタ効果が十分に高いスピンフィルタ効果素子、及びソース・ドレイン電極間の磁気抵抗率が十分に高いスピントランジスタと提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and provides a spin filter effect element having a sufficiently high spin filter effect on a semiconductor layer, and a spin transistor having a sufficiently high magnetic resistivity between source and drain electrodes. The purpose is to do.
上述の課題を解決するため、本発明に係るスピンフィルタ効果素子は、半導体層と、半導体層上に積層された強磁性絶縁層と強磁性絶縁層の半導体層側とは反対側に積層された金属層とを有するスピンフィルタ効果膜とを備え、強磁性絶縁層は半導体層と金層層間のトンネル障壁を形成し、半導体層と金属層は互いに直接接触させた場合にショットキー接触する材料からなることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a spin filter effect element according to the present invention is formed by stacking a semiconductor layer, a ferromagnetic insulating layer stacked on the semiconductor layer, and a side opposite to the semiconductor layer side of the ferromagnetic insulating layer. A spin filter effect film having a metal layer, the ferromagnetic insulating layer forms a tunnel barrier between the semiconductor layer and the gold layer, and the semiconductor layer and the metal layer are made of a material that makes a Schottky contact when in direct contact with each other. It is characterized by becoming.
本発明のスピンフィルタ効果素子によれば、半導体層には強磁性絶縁層を有するスピンフィルタ効果膜が積層されており、この強磁性絶縁層がスピンフィルタ効果を担うこととなる。そして、強磁性絶縁層は半導体層と金層層間のトンネル障壁を形成しているため、金属層と半導体層間に電圧を印加すると、これらの間にトンネル電流が流れる。また、半導体層と金属層は互いに直接接触させた場合にショットキー接触するものが選択されており、かつ、これらの間の強磁性絶縁層にはトンネル電流が流れるため、半導体層と金属層はショットキー接触した場合と同等の挙動を示すこととなる。これにより、半導体層に使用するスピンフィルタ効果膜に求められる分極率の高い強磁性体を用いるという条件、及び、半導体層とショットキー接触するという条件について、前者の条件を強磁性絶縁層で満たし、後者の条件を金属層で満たすことが可能となる。即ち、従来のスピンフィルタ効果膜においては、これらの2つの条件を半導体層と接する1つの層によって満たさなければならなかったのに対して、本発明のスピンフィルタ効果素子では、これらの2つの条件をそれぞれ別個の層によって満たすことが可能である。その結果、これらの2つの条件をより理想的に満たすようにスピンフィルタ効果膜を構成することができるため、半導体層に対するスピンフィルタ効果が十分に高いスピンフィルタ効果素子を得ることができる。 According to the spin filter effect element of the present invention, the spin filter effect film having the ferromagnetic insulating layer is laminated on the semiconductor layer, and this ferromagnetic insulating layer bears the spin filter effect. Since the ferromagnetic insulating layer forms a tunnel barrier between the semiconductor layer and the gold layer, when a voltage is applied between the metal layer and the semiconductor layer, a tunnel current flows between them. In addition, when the semiconductor layer and the metal layer are in direct contact with each other, a Schottky contact is selected, and since a tunnel current flows through the ferromagnetic insulating layer between them, the semiconductor layer and the metal layer are The same behavior as when Schottky contact is made. As a result, the ferromagnetic insulating layer satisfies the former condition for the condition of using a ferromagnetic material having a high polarizability required for the spin filter effect film used in the semiconductor layer and the condition of making a Schottky contact with the semiconductor layer. The latter condition can be satisfied by the metal layer. That is, in the conventional spin filter effect film, these two conditions must be satisfied by one layer in contact with the semiconductor layer, whereas in the spin filter effect element of the present invention, these two conditions are satisfied. Can be satisfied by separate layers. As a result, the spin filter effect film can be configured so as to more ideally satisfy these two conditions, so that a spin filter effect element having a sufficiently high spin filter effect on the semiconductor layer can be obtained.
また、本発明に係るスピントランジスタは、強磁性層を有するソース電極層と、強磁性層を有するドレイン電極層と、ソース電極層及びドレイン電極層が設けられた半導体層と、半導体層に直接又はゲート絶縁層を介して設けられたゲート電極層とを備え、ソース電極層とドレイン電極層のうち少なくとも一方は、半導体層に接する強磁性層としての強磁性絶縁層と、強磁性絶縁層の半導体層側とは反対側に接する金属層とを有し、強磁性絶縁層は半導体層と金属層間のトンネル障壁を形成し、半導体層と金属層は互いに直接接触させた場合にショットキー接触する材料からなることを特徴とする。 The spin transistor according to the present invention includes a source electrode layer having a ferromagnetic layer, a drain electrode layer having a ferromagnetic layer, a semiconductor layer provided with the source electrode layer and the drain electrode layer, and A gate electrode layer provided via a gate insulating layer, at least one of the source electrode layer and the drain electrode layer being a ferromagnetic insulating layer as a ferromagnetic layer in contact with the semiconductor layer, and a semiconductor of the ferromagnetic insulating layer A material that has a metal layer in contact with the opposite side of the layer side, the ferromagnetic insulating layer forms a tunnel barrier between the semiconductor layer and the metal layer, and the material that makes a Schottky contact when the semiconductor layer and the metal layer are in direct contact with each other It is characterized by comprising.
本発明のスピントランジスタによれば、ゲート電極層に電圧を印加することにより、この電圧に対応して半導体層内にチャネルが形成されるため、ソース電極層から半導体層のチャネル内に流れ込むキャリアが増加する。そのため、通常の電界効果トランジスタと同様の機能を発揮する。また、この際、強磁性層を有するソース電極層はスピンフィルタ効果膜として機能するため、ソース電極層の磁化方向と同方向にスピン偏極したキャリアが半導体層に注入される。 According to the spin transistor of the present invention, when a voltage is applied to the gate electrode layer, a channel is formed in the semiconductor layer corresponding to the voltage, so that carriers flowing from the source electrode layer into the channel of the semiconductor layer are generated. To increase. Therefore, the same function as a normal field effect transistor is exhibited. At this time, since the source electrode layer having the ferromagnetic layer functions as a spin filter effect film, carriers spin-polarized in the same direction as the magnetization direction of the source electrode layer are injected into the semiconductor layer.
そして、半導体層に注入されたスピン偏極キャリアは、ドレイン電極層に流れ込む。この際、強磁性層を有するドレイン電極層は、スピンフィルタ効果膜として機能するため、半導体層に注入されたスピン偏極キャリアは、半導体層とドレイン電極層との界面において、スピン依存散乱することとなる。 Then, spin-polarized carriers injected into the semiconductor layer flow into the drain electrode layer. At this time, since the drain electrode layer having a ferromagnetic layer functions as a spin filter effect film, spin-polarized carriers injected into the semiconductor layer are spin-dependently scattered at the interface between the semiconductor layer and the drain electrode layer. It becomes.
即ち、ソース電極層の磁化の向きがドレイン電極層の磁化の向きとは逆向きの場合、半導体層に注入されたスピン偏極キャリアは半導体層とドレイン電極層の界面において大部分が反射され、ドレイン電極層には流れ込みにくい。一方、ソース電極層の磁化の向きがスピンフィルタ層の磁化の向きと同一の場合、半導体層に注入されたスピン偏極キャリアは半導体層とドレイン電極層の界面を大部分が通過し、ドレイン電極層に流れ込む。そのため、ソース電極層とドレイン電極層の磁化の向きが平行の場合と反平行の場合とでは、ソース・ドレイン電極層間の抵抗値が異なることとなる。 That is, when the magnetization direction of the source electrode layer is opposite to the magnetization direction of the drain electrode layer, most of the spin-polarized carriers injected into the semiconductor layer are reflected at the interface between the semiconductor layer and the drain electrode layer, It is difficult to flow into the drain electrode layer. On the other hand, when the magnetization direction of the source electrode layer is the same as the magnetization direction of the spin filter layer, most of the spin-polarized carriers injected into the semiconductor layer pass through the interface between the semiconductor layer and the drain electrode layer, and the drain electrode Flows into the layer. For this reason, the resistance value between the source and drain electrode layers differs depending on whether the magnetization directions of the source electrode layer and the drain electrode layer are parallel or antiparallel.
そして、本発明のスピントランジスタでは、ソース電極層とドレイン電極層のうち少なくとも一方は、強磁性層として強磁性絶縁層を有している。そして、強磁性絶縁層は半導体層と金層層間のトンネル障壁を形成しているため、金属層と半導体層間に電圧を印加すると、これらの間にトンネル電流が流れる。また、半導体層と金属層は互いに直接接触させた場合にショットキー接触するものが選択されており、かつ、これらの間の強磁性絶縁層にはトンネル電流が流れるため、半導体層と金属層はショットキー接触した場合と同等の挙動を示すこととなる。 In the spin transistor of the present invention, at least one of the source electrode layer and the drain electrode layer has a ferromagnetic insulating layer as a ferromagnetic layer. Since the ferromagnetic insulating layer forms a tunnel barrier between the semiconductor layer and the gold layer, when a voltage is applied between the metal layer and the semiconductor layer, a tunnel current flows between them. In addition, when the semiconductor layer and the metal layer are in direct contact with each other, a Schottky contact is selected, and since a tunnel current flows through the ferromagnetic insulating layer between them, the semiconductor layer and the metal layer are The same behavior as when Schottky contact is made.
これにより、半導体層に使用するスピンフィルタ効果膜に求められる分極率の高い強磁性体を用いるという条件、及び、半導体層とショットキー接触するという条件について、前者の条件を強磁性絶縁層で満たし、後者の条件を金属層で満たすことが可能となる。即ち、従来のスピンフィルタ効果膜においては、これらの2つの条件を半導体層と接する1つの層によって満たさなければならなかったのに対して、本発明のスピンフィルタ効果素子では、これらの2つの条件をそれぞれ別個の層によって満たすことが可能である。そのため、これらの2つの条件をより理想的に満たすようにスピンフィルタ効果膜を構成することができるため、半導体層に対するスピンフィルタ効果が十分に高いスピンフィルタ効果素子を備えたスピントランジスタとすることができる。その結果、ソース・ドレイン電極間の磁気抵抗率が十分に高いスピントランジスタを得ることができる。 As a result, the ferromagnetic insulating layer satisfies the former condition for the condition of using a ferromagnetic material having a high polarizability required for the spin filter effect film used in the semiconductor layer and the condition of making a Schottky contact with the semiconductor layer. The latter condition can be satisfied by the metal layer. That is, in the conventional spin filter effect film, these two conditions must be satisfied by one layer in contact with the semiconductor layer, whereas in the spin filter effect element of the present invention, these two conditions are satisfied. Can be satisfied by separate layers. Therefore, since the spin filter effect film can be configured to more ideally satisfy these two conditions, a spin transistor including a spin filter effect element having a sufficiently high spin filter effect on the semiconductor layer can be obtained. it can. As a result, a spin transistor having a sufficiently high magnetoresistance between the source and drain electrodes can be obtained.
さらに、ソース電極層とドレイン電極層のそれぞれは、半導体層に接する強磁性層としての強磁性絶縁層と、強磁性絶縁層の半導体層側とは反対側に接する金属層とを有し、強磁性絶縁層は半導体層と金属層間のトンネル障壁を形成し、半導体層と金属層は互いに直接接触させた場合にショットキー接触する材料からなることが好ましい。 Furthermore, each of the source electrode layer and the drain electrode layer has a ferromagnetic insulating layer as a ferromagnetic layer in contact with the semiconductor layer, and a metal layer in contact with the opposite side of the ferromagnetic insulating layer to the semiconductor layer side. The magnetic insulating layer forms a tunnel barrier between the semiconductor layer and the metal layer, and the semiconductor layer and the metal layer are preferably made of a material that makes a Schottky contact when brought into direct contact with each other.
これにより、ソース電極層とドレイン電極層は、それぞれ半導体層に対して上述の2つの条件をより理想的に満たすスピンフィルタ効果膜となる。その結果、ソース・ドレイン電極間の磁気抵抗率がより高いスピントランジスタを得ることができる。 As a result, the source electrode layer and the drain electrode layer become spin filter effect films that more ideally satisfy the above two conditions for the semiconductor layer. As a result, a spin transistor having a higher magnetic resistivity between the source and drain electrodes can be obtained.
さらに、強磁性絶縁層は、その抵抗率が1Ω・cm以上であることが好ましい。これにより、強磁性絶縁層は半導体層と金層層間のトンネル障壁を確実に形成することが可能となる。その結果、ソース電極層とドレイン電極層の少なくとも一方は、半導体層に対して上述の2つの条件をより確実に満たすスピンフィルタ効果膜となるため、信頼性の高いスピントランジスタを得ることができる。 Furthermore, the resistivity of the ferromagnetic insulating layer is preferably 1 Ω · cm or more. As a result, the ferromagnetic insulating layer can reliably form a tunnel barrier between the semiconductor layer and the gold layer. As a result, at least one of the source electrode layer and the drain electrode layer becomes a spin filter effect film that more reliably satisfies the above-described two conditions with respect to the semiconductor layer, so that a highly reliable spin transistor can be obtained.
さらに、金属膜は、Be、B、Mg、Al、Ti、Cu、Zn、Zr、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt及びAuからなる群から選ばれた少なくとも一種を含むことが好ましい。 Further, the metal film is selected from the group consisting of Be, B, Mg, Al, Ti, Cu, Zn, Zr, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Ir, Pt, and Au. It is preferable to contain at least one selected from the above.
さらに、ソース電極層とドレイン電極層の少なくとも一方が有する強磁性層の磁化方向は固定されていることが好ましい。これにより、ソース電極層とドレイン電極層が有するそれぞれの磁化方向の相対的な角度を変更させることが容易になる。その結果、ソース・ドレイン電極間の抵抗値を容易に変化させることが可能なスピントランジスタを得ることができる。 Furthermore, it is preferable that the magnetization direction of the ferromagnetic layer included in at least one of the source electrode layer and the drain electrode layer is fixed. Thereby, it becomes easy to change the relative angles of the magnetization directions of the source electrode layer and the drain electrode layer. As a result, a spin transistor capable of easily changing the resistance value between the source and drain electrodes can be obtained.
さらに、ソース電極層とドレイン電極層の少なくとも一方が有する強磁性層は、形状異方性によってその磁化方向が固定されていることが好ましい。これにより、ソース電極層とドレイン電極層の少なくとも一方を適切な形状になるように形成するだけで、その磁化方向を固定することができる。 Furthermore, it is preferable that the magnetization direction of the ferromagnetic layer included in at least one of the source electrode layer and the drain electrode layer is fixed by shape anisotropy. Thereby, the magnetization direction can be fixed only by forming at least one of the source electrode layer and the drain electrode layer so as to have an appropriate shape.
さらに、ソース電極層とドレイン電極層の双方の強磁性層は、形状異方性によってその磁化方向が固定されていることが好ましい。これにより、ソース電極層とドレイン電極層が有するそれぞれの磁化方向の相対的な角度を変更させることがより容易になる。その結果、ソース・ドレイン電極間の抵抗値をより容易に変化させることが可能なスピントランジスタを得ることができる。 Furthermore, it is preferable that the magnetization directions of the ferromagnetic layers of both the source electrode layer and the drain electrode layer are fixed by shape anisotropy. This makes it easier to change the relative angles of the respective magnetization directions of the source electrode layer and the drain electrode layer. As a result, a spin transistor capable of changing the resistance value between the source and drain electrodes more easily can be obtained.
さらに、ソース電極層とドレイン電極層の強磁性層の保磁力は、互いに異なることが好ましい。これにより、ソース電極層とドレイン電極層のそれぞれの磁化方向の相対的な角度を変更させることがさらにより容易になる。その結果、ソース・ドレイン電極間の抵抗値をさらにより容易に変化させることが可能なスピントランジスタを得ることができる。 Furthermore, the coercive forces of the ferromagnetic layers of the source electrode layer and the drain electrode layer are preferably different from each other. Thereby, it becomes even easier to change the relative angles of the magnetization directions of the source electrode layer and the drain electrode layer. As a result, a spin transistor capable of changing the resistance value between the source and drain electrodes more easily can be obtained.
さらに、ソース電極層とドレイン電極層の少なくとも一方が有する金属層は反強磁性層であり、反強磁性層と接する強磁性層の磁化方向は、反強磁性層からの交換結合磁界によって固定されていることが好ましい。これにより、ソース電極層やドレイン電極層の形状に関わらず、その磁化方向を確実に固定することができる。 Further, the metal layer of at least one of the source electrode layer and the drain electrode layer is an antiferromagnetic layer, and the magnetization direction of the ferromagnetic layer in contact with the antiferromagnetic layer is fixed by an exchange coupling magnetic field from the antiferromagnetic layer. It is preferable. Thereby, the magnetization direction can be reliably fixed regardless of the shape of the source electrode layer and the drain electrode layer.
さらに、ソース電極層とドレイン電極層のいずれかが有する強磁性層の磁化方向をスピン注入磁化反転によって反転させるための磁化反転電極層が半導体層にさらに設けられていることが好ましい。これにより、ソース電極層とドレイン電極層のいずれかが有する強磁性層の磁化方向を容易に変更させることができる。また、外部磁場を印加することによってソース電極層とドレイン電極層のいずれかが有する強磁性層の磁化方向を反転させる場合と比較して、外部磁場を印加するための機構が不要となるため、スピントランジスタの小型化が可能となる。また、スピントランジスタを多数集積させた場合に、特定の素子が有する強磁性層の磁化方向のみを変更させることが容易となる。さらに、トランジスタとしての機能と、情報記憶機能とを兼ね備えることとなるため、ソース電極層とドレイン電極層の磁化方向が平行の状態及び反平行の状態の2状態を1ビットに対応させると、不揮発性半導体メモリとして使用することが可能なスピントランジスタを得ることができる。 Furthermore, it is preferable that the semiconductor layer further includes a magnetization reversal electrode layer for reversing the magnetization direction of the ferromagnetic layer included in either the source electrode layer or the drain electrode layer by spin injection magnetization reversal. As a result, the magnetization direction of the ferromagnetic layer included in either the source electrode layer or the drain electrode layer can be easily changed. In addition, a mechanism for applying an external magnetic field is unnecessary compared to the case of reversing the magnetization direction of the ferromagnetic layer of either the source electrode layer or the drain electrode layer by applying an external magnetic field. The spin transistor can be miniaturized. In addition, when a large number of spin transistors are integrated, it is easy to change only the magnetization direction of the ferromagnetic layer of a specific element. Furthermore, since the transistor functions and the information storage function are combined, if the two states of the source electrode layer and the drain electrode layer in which the magnetization directions are parallel and anti-parallel are associated with one bit, the nonvolatile state is obtained. A spin transistor that can be used as a conductive semiconductor memory can be obtained.
本発明によれば、半導体層に対するスピンフィルタ効果が十分に高いスピンフィルタ効果素子、及びソース・ドレイン電極間の磁気抵抗率が十分に高いスピントランジスタが提供される。 According to the present invention, a spin filter effect element having a sufficiently high spin filter effect on a semiconductor layer and a spin transistor having a sufficiently high magnetoresistance between source and drain electrodes are provided.
以下、実施の形態に係るスピンフィルタ効果素子及びスピントランジスタについて、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。 Hereinafter, a spin filter effect element and a spin transistor according to embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in each drawing, the same code | symbol is used for the same element and the overlapping description is abbreviate | omitted. In addition, the dimensional ratios in the components in the drawings and between the components are arbitrary for easy viewing of the drawings.
図1は、本実施形態に係るスピンフィルタ効果素子11、13を備えたスピントランジスタ10の縦断面構成を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a vertical cross-sectional configuration of a
スピントランジスタ10は、半導体層9と、強磁性絶縁層SI及び金属層SEを有し半導体層9上に設けられたソース電極層3と、強磁性絶縁層DI及び金属層DEを有し半導体層9上に設けられたドレイン電極層7と、ゲート電極層GEとを備えている。
The
ソース電極層3が有する強磁性絶縁層SIは半導体層9と接しており、ソース電極層3が有する金属層SEは、強磁性絶縁層SIの半導体層9側とは反対側に接している。そして、強磁性絶縁層SIは半導体層9と金属層SE間のトンネル障壁を形成するように薄く形成されている。そのため、半導体層9と金属層SE間に電圧を印加すると、これらの間にトンネル電流を流すことが可能となっている。さらに、半導体層9と金属層SEは、互いに直接接触させた場合にショットキー接触するものが選択されている。
The ferromagnetic insulating layer SI included in the
ドレイン電極層7は、半導体層9上にソース電極層3と離間するように設けられており、ソース電極層3と同様の構成を有している。即ち、ドレイン電極層7が有する強磁性絶縁層DIは半導体層9と接しており、ドレイン電極層7が有する金属層DEは、強磁性絶縁層DIの半導体層9側とは反対側に接している。また、強磁性絶縁層DIは半導体層9と金属層DE間のトンネル障壁を形成するように薄く形成されている。そのため、半導体層9と金属層DE間に電圧を印加すると、これらの間にトンネル電流を流すことが可能となっている。さらに、半導体層9と金属層DEは、互いに直接接触させた場合にショットキー接触するものが選択されている。
The
ゲート電極層GEは、半導体層9のソース電極層3及びドレイン電極層7が設けられた側とは反対側にゲート絶縁層GIを介して設けられている。なお、ゲート電極層GEは、半導体層9のソース電極層3及びドレイン電極層7が設けられた側に設けてもよく、また、ゲート絶縁層GIを介さずに半導体層9とショットキー接触するように半導体層9に設けてもよい。
The gate electrode layer GE is provided on the opposite side of the
ソース電極層3とゲート電極層GEとの間にはゲート電圧VGSが印加可能となっており、ソース電極層3とドレイン電極層7との間には、ドレイン電圧VDSが印加可能となっている。ゲート電圧VGS及びドレイン電圧VDSの印加の有無は、それぞれ、ソース電極層3とゲート電極層GEとの間に介在するスイッチSW1及びソース電極層3とドレイン電極層7との間に介在するスイッチSW2によって決定される。
A gate voltage V GS can be applied between the
ソース電極層3が有する強磁性絶縁層SIの磁化の向きSIM(ソース電極層3の磁化の向きSIM)は、図1のY軸の正方向に沿った方向を向いており、後述のようにその方向に固定されている。また、ドレイン電極層7が有する強磁性絶縁層DIの磁化の向きDIM(ドレイン電極層7の磁化の向きDIM)は、図1のY軸の負方向に沿った方向を向いており、後述のようにその方向は外部磁場の印加等によって180度反転可能となっている。なお、半導体層9の厚み方向はZ軸に沿った方向である。
The magnetization direction SIM of the ferromagnetic insulating layer SI included in the source electrode layer 3 (the magnetization direction SIM of the source electrode layer 3) is directed in the direction along the positive direction of the Y-axis in FIG. It is fixed in that direction. Further, the magnetization direction DIM of the ferromagnetic insulating layer DI included in the drain electrode layer 7 (the magnetization direction DIM of the drain electrode layer 7) is in the direction along the negative direction of the Y axis in FIG. Thus, the direction can be reversed 180 degrees by applying an external magnetic field. The thickness direction of the
強磁性絶縁層SI、DIを構成する材料としては、例えば、スピネルフェライトのうち強磁性かつ絶縁性を示すもの等を用いることができる。スピネルフェライトのうち強磁性かつ絶縁性を示すものとして具体的には、A(Fe1−XMnX)2O4(AはMn、Co、Ni、Cu、Fe及びMgからなる群から選ばれたいずれかの金属、かつ、0≦X≦0.4)を挙げることができる。また、強磁性絶縁層SI、DIを構成する材料は、その抵抗率が1Ω・cm以上であることが好ましい。 As a material constituting the ferromagnetic insulating layers SI and DI, for example, a spinel ferrite material exhibiting ferromagnetic and insulating properties can be used. Specifically as an indication of ferromagnetic and insulating of spinel ferrite, A (Fe 1-X Mn X) 2 O 4 (A is selected from the group consisting of Mn, Co, Ni, Cu, Fe and Mg And any metal and 0 ≦ X ≦ 0.4). Further, the material constituting the ferromagnetic insulating layers SI and DI preferably has a resistivity of 1 Ω · cm or more.
金属層SE、DEを構成する材料としては、Be、B、Mg、Al、Ti、Cu、Zn、Zr、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt及びAuからなる群から選ばれた金属、あるいはこれらの群から選ばれた少なくとも一種を含む合金であることが好ましい。 The materials constituting the metal layers SE and DE include Be, B, Mg, Al, Ti, Cu, Zn, Zr, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Ir, Pt, and the like. A metal selected from the group consisting of Au, or an alloy containing at least one selected from these groups is preferable.
ゲート電極層GEを構成する材料としては、金属層SE、DEと同様の金属あるいは合金を用いることができ、また、金属層SE、DEと同様の金属あるいは合金のシリサイド、又はポリシリコン等を用いることもできる。ゲート絶縁層GIを構成する非磁性の絶縁材料としては、SiO2、AlO2、NiO、CoFeO、MnO、ZnO等の酸化物を用いることができる。また、半導体層9を構成する材料としては、SiやGaAs等の化合物半導体を用いることができる。なお、半導体層9の導電型はn型、p型のいずれでもよい。
As the material constituting the gate electrode layer GE, the same metal or alloy as that of the metal layers SE and DE can be used, and the same metal or alloy as that of the metal layers SE and DE, silicide, polysilicon, or the like is used. You can also. As the nonmagnetic insulating material constituting the gate insulating layer GI, oxides such as SiO 2 , AlO 2 , NiO, CoFeO, MnO, and ZnO can be used. In addition, as a material constituting the
図2は、図1のZ軸方向から見たスピントランジスタ10の平面構成を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a planar configuration of the
図2に示すように、ソース電極層3は、Y軸に沿った方向に延びた平面形状となっている。具体的には、ソース電極層3は、一定幅のソース電極層中間部3aと、ソース電極層中間部3aの長手方向の両端に接する2つのソース電極層先端部3bとを有している。ソース電極層3がこのような形状となっているため、ソース電極層3の磁化の向きSIMは、ソース電極層3の長手方向に向くこととなる。さらに、ソース電極層3の長手方向の両端部には先鋭な形状のソース電極層先端部3bが形成されているため、ソース電極層3が有する強磁性絶縁層SI(図1参照)内には磁区が形成され難くなっている。そのため、ソース電極層3の磁化の向きSIMは外部磁場が印加等されても、その向きが非常に変化し難くなっており、ソース電極層3の磁化の向きSIMは固定されている。
As shown in FIG. 2, the
即ち、ソース電極層3の磁化の向きSIMは、ソース電極層3の形状異方性によって固定されている。なお、ソース電極層3の磁化の向きSIMが、図2のY軸の正方向を向く場合と、Y軸の負方向を向く場合の形状異方性エネルギーは同等となる。図2に示すようにソース電極層3の磁化の向きSIMをY軸の正方向に向かせるには、例えば非常に強い外部磁場をY軸の正方向に印加すればよい。
That is, the magnetization direction SIM of the
なお、本明細書において「磁性層の磁化の向きが固定されている」とは、ノイズ磁界等によってはその磁化の向きが変化しない状態を意味する。即ち、外部磁場の印加等を行っていない状態において磁性層の磁化の向きは一定の方向を向いていることを意味する。そのため、磁性層の保磁力よりも大きな外部磁場を印加等すれば、磁性層の磁化の向きを変更させることが可能である。また、ソース電極層3の保磁力の大きさは、例えば50〜500Oeとすることができる。
In this specification, “the magnetization direction of the magnetic layer is fixed” means a state in which the magnetization direction is not changed by a noise magnetic field or the like. That is, it means that the direction of magnetization of the magnetic layer is in a certain direction when no external magnetic field is applied. Therefore, if an external magnetic field larger than the coercive force of the magnetic layer is applied, the magnetization direction of the magnetic layer can be changed. The magnitude of the coercive force of the
また、ドレイン電極層7は、ソース電極層3と同様にY軸に沿った方向に延びた平面形状となっている。しかし、ドレイン電極層7は、一定幅のドレイン電極層中間部7aの長手方向の一方の端部にのみドレイン電極層先端部7bが接しており、他方の端部には矩形状のドレイン電極層矩形部7cが接している点でソース電極層3の形状と異なる。ドレイン電極層7がこのような形状となっているため、ドレイン電極層7の磁化の向きDIMは、ドレイン電極層7の長手方向に固定されている。しかし、ドレイン電極層7が有する強磁性絶縁層DI(図1参照)のドレイン電極層矩形部7cの領域には磁区が形成され易くなる。そのため、ドレイン電極層7に外部磁場を印加等すると、ドレイン電極層7の磁化の向きDIMは容易に反転することとなる。即ち、ソース電極層3とドレイン電極層7の保磁力は、互いに異なっており、ソース電極層3の保磁力は、ドレイン電極層7の保磁力よりも大きくなっている。ドレイン電極層7の保磁力の大きさは、例えば10〜100Oeとすることができる。
Further, the
ソース電極層3のソース電極層中間部3aの幅w3aは、例えば0.05〜2μmとすることができ、ソース電極層先端部3bの長さh3bは、例えば0.4〜5μmとすることができる。また、ソース電極層3の長さh3は、例えば1〜100μmとすることができる。即ち、幅w3aと長さh7の比率は、20〜1000であり、この場合には十分に形状異方性を有し、磁化の向きSIMを固定することができる。
The width w3a of the source electrode layer
ドレイン電極層7のドレイン電極層中間部7aの幅w7aは、例えば0.05〜2μmとすることができ、ドレイン電極層先端部7bの長さh7bは、例えば0.4〜5μmとすることができる。また、ドレイン電極層矩形部7cの幅w7cは、例えば1〜10μmとすることができ、ドレイン電極層矩形部7cの長さh7cは、例えば1〜20μmとすることができる。また、ドレイン電極層7の長さh7は、例えば1〜100μmとすることができる。即ち、幅w7aと長さh7の比率は、20〜1000であり、この場合には十分に形状異方性を付与させることができる。
The width w7a of the drain electrode layer
次に、図1に示した本実施形態のスピントランジスタ10の動作について説明する。
Next, the operation of the
図3は、図1に示した半導体層9、ソース電極層3の金属層SE、及びドレイン電極層7の金属層DEのエネルギーバンド図である。同図では、半導体層9の導電型がn型であって、図1のスイッチSW1を切断してゲート電極層GEに電圧を印加せず、スイッチSW2を接続してドレイン電極層7に電圧を印加した場合を示している。なお、エネルギーバンド図においては、縦の正方向に大きいほどエネルギーが高く、縦の負方向に大きいほど電位が高い。
FIG. 3 is an energy band diagram of the
ソース電極層3が有する強磁性絶縁層SIに注入された電子emは、ソース電極層3の磁化の向きSIMと同じ方向(但し、電子の符号は負)の偏極スピンを有する。ソース電極層3の金属層SEと半導体層9は互いに直接接触させた場合にショットキー接触する材料からなり、また、ソース電極層3が有する強磁性絶縁層SIは非常に薄いため、半導体層9と強磁性絶縁層SIの界面SJは金属層SEと強磁性絶縁層SIの界面と非常に近くなる。そのため、金属層SEと半導体層9はショットキー接触した場合と同等の挙動を示すこととなる。その結果、半導体層9内にはポテンシャル障壁(空乏層)PBが形成されるが、このポテンシャル障壁PBの厚みtはトンネル効果が生じる厚みよりも大きいため、ソース電極層3内の電子emは半導体層9内には注入されない。なお、同図中のEcは半導体層9の伝導帯の下端のエネルギー準位、Evは価電子帯の上端のエネルギー準位を示している。
The electrons em injected into the ferromagnetic insulating layer SI included in the
図4は、スピントランジスタ10の図3と同じ箇所のエネルギーバンド図である。同図では、図1のスイッチSW1及びSW2を接続してゲート電極層GE及びドレイン電極層7に電圧を印加した場合を示している。
4 is an energy band diagram of the same portion of the
図1のゲート電極層GEに正電位を印加することにより、この正電位に対応して半導体層9内のゲート電極層GEの直下にn型のチャネルが形成されると同時に、半導体層9内に形成されたポテンシャル障壁PBの厚みtが減少する。その結果、強磁性絶縁層SIに注入されたスピン偏極電子emは、強磁性絶縁層SIが形成するポテンシャル障壁及び半導体層9内に形成されたポテンシャル障壁PBをトンネルすることが可能となり、半導体層9のチャネル内に流れ込む電子esが増加する。そして、ソース電極層3から半導体層9内に注入された電子esは、ソース電極層3の磁化の向きSIMと同方向にスピン偏極している。即ち、ソース電極層3は、半導体層9内にスピン偏極電子emを注入するスピンフィルタ効果膜として機能し、ソース電極層3と半導体層9とで、スピンフィルタ効果素子11を構成している(図1参照)。なお、強磁性絶縁層SIにおける磁化の向きSIMに平行なスピンの電子の状態密度と、反平行なスピンの状態密度との比は、強磁性絶縁層SI内における磁化の向きSIMに平行な電子の数と、反平行な電子の数との比となる。そのため、上述のようにソース電極層3はスピンフィルタ効果を発揮することとなる。
By applying a positive potential to the gate electrode layer GE of FIG. 1, an n-type channel is formed immediately below the gate electrode layer GE in the
ドレイン電極層7の磁化の向きDIMがソース電極層3の磁化の向きSIMとは逆向きの場合、この電子esは、スピン依存散乱効果によって半導体層9とドレイン電極層7の間で大部分が反射され、ドレイン電極層7にはほとんど流れ込まない。
When the magnetization direction DIM of the
図5は、スピントランジスタ10の図3と同じ箇所のエネルギーバンド図である。同図では、図1のスイッチSW1及びSW2を接続してゲート電極層GE及びドレイン電極層7に電圧を印加し、且つ、ドレイン電極層7の磁化の向きDIMを反転させた状態を示している。
FIG. 5 is an energy band diagram of the same portion of the
ドレイン電極層7の金属層DEと半導体層9は互いに直接接触させた場合にショットキー接触する材料からなり、また、ドレイン電極層7が有する強磁性絶縁層DIは非常に薄いため、半導体層9と強磁性絶縁層DIの界面SJは金属層DEと強磁性絶縁層DIの界面と非常に近くなる。そのため、金属層DEと半導体層9はショットキー接触した場合と同等の挙動を示すこととなる。
The metal layer DE of the
そのため、図5に示す状態の場合、ドレイン電極層7の磁化の向きDIMがソース電極層3の磁化の向きSIMと同一となるため、半導体層9内に注入された電子esは、スピン依存散乱効果によって半導体層9とドレイン電極層7の間で反射されることはなく、大部分がドレイン電極層7に流れ込む。即ち、ドレイン電極層7は、半導体層9内の電子のうち特定の方向にスピン偏極した電子を優先的に受け入れるスピンフィルタ効果膜として機能し、ドレイン電極層7と半導体層9とで、スピンフィルタ効果素子13を構成している(図1参照)。なお、強磁性絶縁層DI内において、磁化の向きDIMに平行なスピンを持つ電子の状態と、反平行なスピンを持つ電子の状態では、エネルギーが異なる。そのため、上述のようにドレイン電極層7はスピンフィルタ効果を発揮することとなる。
Therefore, in the state shown in FIG. 5, since the magnetization direction DIM of the
また、上述のようにスピントランジスタ10は、ソース電極層3とドレイン電極層7間で磁気抵抗効果を生じる。即ち、ゲート電極層GEに印加するゲート電圧が一定の場合、ソース電極層3の磁化の向きSIMとドレイン電極層7の磁化の向きDIMとが平行の場合にはソース電極層3とドレイン電極層7間の抵抗値は小さくなり、ソース電極層3の磁化の向きSIMとドレイン電極層7の磁化の向きDIMとが反平行の場合にはソース電極層3とドレイン電極層7間の抵抗値は大きくなる。
Further, as described above, the
また、図3〜図5を参照すると、ドレイン電極層7が有する金属層DEのフェルミ準位EFと、強磁性絶縁層DI隣接する半導体層9の伝導帯ECの下端との間には、電位差φDが存在している。ゲート電圧の印加により、半導体層9のエネルギーバンドが曲がる結果、ポテンシャル障壁PBが薄くなるので、電子emがソース電極層3から半導体層9の伝導帯にトンネルするようになり、スピントランジスタ10に電流が流れる。ドレイン電極層7では、トンネル伝導により、半導体層9からドレイン電極層7に電子esが移動し、この結果としてドレイン電極層7と半導体層9との界面での電位差φDが定まる。
Referring also to FIGS. 3 to 5, between the Fermi level E F of the metal layer DE having a
次に、半導体層9の導電型がp型である場合について説明する。この場合のスピントランジスタ10の構造は図1に示したものと同一である。
Next, the case where the conductivity type of the
図6は、図1に示したスピントランジスタ10のゲート電極層GE直下の半導体層9及びこれに隣接するソース電極層3及びドレイン電極層7のエネルギーバンド図である。同図では、半導体層9の導電型がp型であって、図1のスイッチSW1を切断してゲート電極層GEに電圧を印加せず、スイッチSW2を接続してドレイン電極層7に電圧を印加した場合を示している。
FIG. 6 is an energy band diagram of the
ソース電極層3の金属層SEと半導体層9は互いに直接接触させた場合にショットキー接触する材料からなり、また、ソース電極層3が有する強磁性絶縁層SIは非常に薄いため、半導体層9と強磁性絶縁層SIの界面SJは金属層SEと強磁性絶縁層SIの界面と非常に近くなる。そのため、金属層SEと半導体層9はショットキー接触した場合と同等の挙動を示すこととなる。
Since the metal layer SE and the
そのため、ゲート電圧を印加しないときには、半導体層9内の正孔はソース電極層3及びドレイン電極層7のいずれにも注入されず、強磁性絶縁層SI内の電子emは、半導体層9のエネルギーバンドの曲がりの山を越えられないため、半導体層内には注入されない。
Therefore, when no gate voltage is applied, holes in the
図7は、スピントランジスタ10の図6と同じ箇所のエネルギーバンド図である。同図では、図1のスイッチSW1及びSW2を接続してゲート電極層GE及びドレイン電極層7に電圧を印加した場合を示している。
FIG. 7 is an energy band diagram of the same portion of the
図1のゲート電極層GEに正電位を印加することにより、この正電位に対応して半導体層9内のゲート電極層GEの直下にn型のチャネルが形成されると同時に、半導体層9のエネルギーバンドの山の高さ(エネルギー)が低下し、強磁性絶縁層SI内の電子emは、半導体層9内に注入される。そして、ソース電極層3から半導体層9内に注入された電子esは、ソース電極層3の磁化の向きSIMと同方向にスピン偏極している。
By applying a positive potential to the gate electrode layer GE in FIG. 1, an n-type channel is formed immediately below the gate electrode layer GE in the
ドレイン電極層7の磁化の向きDIMが、ソース電極層3の磁化の向きSIMとは逆向きの場合、この電子esは、スピン依存散乱効果によって半導体層9とドレイン電極層7の間において大部分が反射され、ドレイン電極層7には流れ込まない。
When the magnetization direction DIM of the
図8は、スピントランジスタ10の図6と同じ箇所のエネルギーバンド図である。同図では、図1のスイッチSW1及びSW2を接続してゲート電極層GE及びドレイン電極層7に電圧を印加し、且つ、ドレイン電極層7の磁化の向きDIMを反転させた状態を示している。
FIG. 8 is an energy band diagram of the same portion of the
ドレイン電極層7の金属層DEと半導体層9は互いに直接接触させた場合にショットキー接触する材料からなり、また、ドレイン電極層7が有する強磁性絶縁層DIは非常に薄いため、半導体層9と強磁性絶縁層DIの界面SJは金属層DEと強磁性絶縁層DIの界面と非常に近くなる。そのため、金属層DEと半導体層9はショットキー接触した場合と同等の挙動を示すこととなる。
The metal layer DE of the
そのため、図8に示す状態の場合、ドレイン電極層7の磁化の向きDIMがソース電極層3の磁化の向きSIMと同一となるため、半導体層9の反転チャネル内に注入された電子esは、半導体層9からドレイン電極層7に流れ込む。なお、ドレイン界面に生じる電位差φDは、ドレイン電極層7の磁化の向きDIMがソース電極層3の磁化の向きSIMと平行の場合には、反平行の場合よりも小さい。
Therefore, in the state shown in FIG. 8, since the magnetization direction DIM of the
本実施形態のスピンフィルタ効果素子11、13によれば、半導体層9には強磁性絶縁層SI、DIを有するスピンフィルタ効果膜3、7が積層されており、この強磁性絶縁層SI、DIがスピンフィルタ効果を担うこととなる(図1参照)。そして、上述のように強磁性絶縁層SI、DIは半導体層9と金層層SE、DE間のトンネル障壁を形成しているため、金属層SE、DEと半導体層9間に電圧を印加すると、これらの間にトンネル電流が流れる。また、半導体層9と金属層SE、DEは互いに直接接触させた場合にショットキー接触するものが選択されており、かつ、これらの間の強磁性絶縁層SI、DIにはトンネル電流が流れるため、半導体層と金属層はショットキー接触した場合と同等の挙動を示すこととなる。
According to the spin
そのため、半導体層9に設けられるスピンフィルタ効果膜3,7に求められる分極率の高い強磁性体を用いるという条件、及び、半導体層9とショットキー接触するという条件について、前者の条件を強磁性絶縁層SI、DIで満たし、後者の条件を金属層SE、DEで満たすことが可能となる。即ち、従来のスピンフィルタ効果膜においては、これらの2つの条件を半導体層と接する1つの層によって満たさなければならなかったのに対して、本実施形態に係るスピンフィルタ効果素子11、13では、これらの2つの条件をそれぞれ別個の層によって満たすことが可能である。その結果、これらの2つの条件をより理想的に満たすようにスピンフィルタ効果膜3,7を構成することができるため、半導体層9に対するスピンフィルタ効果が十分に高いスピンフィルタ効果素子11、13となっている。
Therefore, with respect to the condition that a ferromagnetic material having a high polarizability required for the spin
また、本実施形態のスピントランジスタ10では、上述のような半導体層9に対するスピンフィルタ効果が十分に高いスピンフィルタ効果素子11、13を備えている。その結果、ソース電極層3及びドレイン電極層7間の磁気抵抗率が十分に高いスピントランジスタ10とすることができる。
Further, the
さらに、本実施形態のスピントランジスタ10では、強磁性絶縁層SI、DIとして、その抵抗率が1Ω・cm以上である材料を好適に用いている。そのため、強磁性絶縁層SI、DIは半導体層9と金層層SE、DE間のトンネル障壁を確実に形成することが可能となる。その結果、ソース電極層3とドレイン電極層7は、半導体層9に対して上述の2つの条件をより確実に満たすスピンフィルタ効果膜3,7となるため、スピントランジスタ10の信頼性は高いものとなっている。
Furthermore, in the
さらに、本実施形態のスピントランジスタ10では、ソース電極層3が有する強磁性絶縁層SIの磁化の向きSIMと、ドレイン電極層7が有する強磁性絶縁層DIの磁化の向きDIMは固定されている。さらに、ソース電極層3の保磁力はドレイン電極層7の保磁力よりも大きくなっている。そのため、ソース電極層3とドレイン電極層7のそれぞれの磁化方向SIM、DIMの相対的な角度を変更させることが容易である。その結果、ソース電極層3とドレイン電極7間の抵抗値を容易に変化させることが可能なスピントランジスタ10となっている。
Furthermore, in the
さらに、本実施形態のスピントランジスタ10では、ソース電極層3が有する強磁性絶縁層SIの磁化の向きSIMと、ドレイン電極層7が有する強磁性絶縁層DIの磁化の向きDIMは、ソース電極層3及びドレイン電極層7の形状異方性によって固定されている(図2参照)。そのため、ソース電極層3及びドレイン電極層7を適切な形状になるように形成するだけで、これらの磁化の向きSIM、DIMを固定することが可能となっている。
Furthermore, in the
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形態様が可能である。
例えば、上述の実施形態におけるスピントランジスタ10では、ソース電極層3の保磁力は、ドレイン電極層7の保磁力よりも大きくなっているが(図2参照)、ドレイン電極層7の保磁力を、ソース電極層3の保磁力よりも大きくしてもよい。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
For example, in the
また、上述の実施形態におけるスピントランジスタ10では、ソース電極層3の磁化の向きSIMをソース電極層3の形状異方性によって固定しているが(図2参照)、このような固定方法に限られない。例えば、ソース電極層3が有する金属層SEとして反強磁性材料を用いる方法がある。具体的には、図9に示すように、ソース電極層3の磁化の向きSIMを、反強磁性材料からなる金属層SEからの交換結合磁界SEMによって固定してもよい。また、この場合、ソース電極層3の平面形状は、図2に示すような形状である必要はなく、図9に示すような正方形の他、矩形や円形であってもよい。また、ソース電極層3が有する強磁性絶縁層SIを硬質磁性層で形成することにより、ソース電極層3の磁化の向きSIMを固定してもよい。ドレイン電極層7についても同様に、ドレイン電極層7の磁化の向きDIMを、反強磁性材料からなる金属層DEからの交換結合磁界によって固定してもよい。この場合であっても、ソース電極層3とドレイン電極層7の強磁性層SI、DIの保磁力は、互いに異なるように設定するのが好ましい。
In the
ドレイン電極層7の平面形状も図2に示すような形状には限られず、図9に示すような正方形の他、矩形や円形であってもよい。その場合、磁場中熱アニール処理等により、ドレイン電極層7が有する強磁性絶縁層DIに対して図9のY軸に沿った方向に誘導磁気異方性を付与してもよい。
The planar shape of the
また、ソース電極層3及びドレイン電極層7の上に、これらの電極を保護するための金属材料等からなる保護層をさらに設けてもよい。
Further, a protective layer made of a metal material or the like for protecting these electrodes may be further provided on the
また、図10に示すように、ドレイン電極層7が有する強磁性絶縁層DIの磁化の向きDIMをスピン注入磁化反転によって反転させるための磁化反転電極層15を半導体層9にさらに設けたスピントランジスタ10aも可能である。
Further, as shown in FIG. 10, a spin transistor in which a magnetization
磁化反転電極層15は半導体層9と接する強磁性絶縁層RIと、強磁性絶縁層RIの半導体層9側とは反対側に接する金属層REを有している。強磁性絶縁層RIは半導体層9と金属層RE間のトンネル障壁を形成するように薄く形成されており、半導体層9と金属層REは、互いに直接接触させた場合にショットキー接触するものが選択されている。そして、磁化反転電極層15とドレイン電極層7間に、スイッチSW3の接続先に応じて磁化反転電圧VRD1又はVRD2を印加することが可能となっている。
The magnetization
図10のようにドレイン電極層7の磁化の向きDIMと磁化反転電極層15の磁化の向きRIMが反平行の場合、ドレイン電極層7の磁化の向きDIMを反転させるためには、スイッチSW1とSW2を切断し、スイッチSW3をVRD1側に接続する。すると、磁化反転電極層15の磁化の向きRIMの方向にスピン偏極した電子が磁化反転電極層15からドレイン電極層7に注入される。これにより、ドレイン電極層7の磁化の向きDIMは、磁化の向きRIMと平行になるように回転するトルクを受け、磁化の向きDIMが反転し、ドレイン電極層7の磁化の向きDIMは磁化反転電極層15の磁化の向きRIMと平行となる。逆に、ドレイン電極層7の磁化の向きDIMと磁化反転電極層15の磁化の向きRIMが平行の場合には、スイッチSW1とSW2を切断し、スイッチSW3をVRD2側に接続する。これにより、ドレイン電極層7の磁化の向きDIMは、磁化反転電極層15の磁化の向きRIMと反平行になるように回転するトルクを受け、磁化の向きDIMが反転し、ドレイン電極層7の磁化の向きDIMは磁化反転電極層15の磁化の向きRIMと反平行となる。なお、磁化反転電極層15は半導体層9と接する金属強磁性層を有する構成にしてもよい。
As shown in FIG. 10, when the magnetization direction DIM of the
このように、磁化反転電極層15をさらに設けることによって、ドレイン電極層7が有する強磁性絶縁層DIの磁化の向きDIMを容易に変更させることができる。また、外部磁場を印加することによってドレイン電極層7が有する強磁性絶縁層DIの磁化の向きDIMを反転させる場合と比較して、外部磁場を印加するための機構が不要となるため、スピントランジスタ10の小型化が可能となる。また、スピントランジスタ10を多数集積させた場合に、特定の素子が有する強磁性絶縁層DIの磁化の向きDIMのみを変更させることが容易となる。さらに、上述のように、ドレイン電極層7の磁化の向きに応じて、ドレイン電極層7に流れ込む電子量が変化する。このため、ソース電極層3の磁化の向きSIMと、ドレイン電極層7の磁化の向きDIMとが平行の状態及び反平行の状態の2状態を1ビットに対応させれば、1ビットの半導体メモリとなる。さらにこのような半導体メモリをN個集積して、Nビットのメモリとすることもできる。なお、磁化反転電極層15をドレイン電極層7よりもソース電極層3に近い位置に配置し、磁化反転電極層15によって、ソース電極層3が有する強磁性層SIの磁化の向きSIMを変更可能としてもよい。
As described above, by further providing the magnetization switching
なお、従来の半導体MOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field Effect Transistor)においては、通常、キャリアの発生する方を「ソース」と定義しており、ゲート直下の半導体の導電型はソースの導電型とは異なっている。一方、本実施形態のスピントランジスタ10においては、キャリアはスピン偏極した電子または正孔であり、半導体層4の導電型に拘わらず、キャリアが半導体層4に流れ込む方をソース電極層とする。なお、ソース電極層から注入されるのが正孔の場合には、正孔の保持するスピンとしては、抜けた電子の電子状態のスピンと反対のスピンを保持しているものとする。
In a conventional semiconductor MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor), the direction of generation of carriers is usually defined as “source”, and the conductivity type of the semiconductor directly under the gate is the source conductivity type. Is different. On the other hand, in the
以下、本発明の効果をより一層明らかなものとするため、実施例を用いて説明する。 Hereinafter, in order to further clarify the effects of the present invention, description will be made using examples.
まず、SOI基板を用意し、表面の自然酸化膜層をイオンミリングによって除去した。その後、SOI基板上に後に図1における強磁性絶縁層SI、DIとなるCoFe2O4を3nm形成した後、この上に後に金属層SE、DEとなるAlを10nm形成し、さらにこの上に保護層としてTaを2nm形成した積層膜を形成した。その後、パターニングを行い、図2に示すような形状のソース電極層3及びドレイン電極層7を形成した。ソース電極層3の形状としては、h3=20μm、h3b=2μm、w3a=0.5μmとした。また、ドレイン電極層7の形状としては、h7=20μm、w7c=h7c=5μm、h7b=2μmとした。
First, an SOI substrate was prepared, and the natural oxide film layer on the surface was removed by ion milling. Thereafter, after forming 3 nm of CoFe 2 O 4 to be the ferromagnetic insulating layers SI and DI in FIG. 1 on the SOI substrate later, 10 nm of Al to be the metal layers SE and DE is formed thereon, and further thereon. A laminated film having 2 nm of Ta was formed as a protective layer. Thereafter, patterning was performed to form a
このような素子について、ソース電極層3とドレイン電極層7間の抵抗値を四端子法によって測定し、ソース電極層3とドレイン電極層7間の室温における磁気抵抗率を求めたところ、その値は約20%となった。
For such an element, the resistance value between the
3…ソース電極層、4…半導体層、7…ドレイン電極層、9…半導体層、10…スピントランジスタ、SE,DE…金属層、SI,DI…強磁性絶縁層、GE…ゲート電極層、GI…ゲート絶縁層。
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記半導体層上に積層された強磁性絶縁層と前記強磁性絶縁層の前記半導体層側とは反対側に積層された金属層とを有するスピンフィルタ効果膜と、を備え、
前記強磁性絶縁層は前記半導体層と前記金層層間のトンネル障壁を形成し、前記半導体層と前記金属層は互いに直接接触させた場合にショットキー接触する材料からなることを特徴とするスピンフィルタ効果素子。 A semiconductor layer;
A spin filter effect film having a ferromagnetic insulating layer laminated on the semiconductor layer and a metal layer laminated on the opposite side of the ferromagnetic insulating layer to the semiconductor layer side,
The spin filter, wherein the ferromagnetic insulating layer forms a tunnel barrier between the semiconductor layer and the gold layer, and the semiconductor layer and the metal layer are made of a material that makes a Schottky contact when in direct contact with each other. Effect element.
強磁性層を有するドレイン電極層と、
前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層が設けられた半導体層と、
前記半導体層に直接又はゲート絶縁層を介して設けられたゲート電極層と、
を備え、
前記ソース電極層と前記ドレイン電極層のうち少なくとも一方は、前記半導体層に接する前記強磁性層としての強磁性絶縁層と、前記強磁性絶縁層の前記半導体層側とは反対側に接する金属層と、を有し、
前記強磁性絶縁層は前記半導体層と前記金属層間のトンネル障壁を形成し、前記半導体層と前記金属層は互いに直接接触させた場合にショットキー接触する材料からなることを特徴とするスピントランジスタ。 A source electrode layer having a ferromagnetic layer;
A drain electrode layer having a ferromagnetic layer;
A semiconductor layer provided with the source electrode layer and the drain electrode layer;
A gate electrode layer provided directly or via a gate insulating layer on the semiconductor layer;
With
At least one of the source electrode layer and the drain electrode layer has a ferromagnetic insulating layer as the ferromagnetic layer in contact with the semiconductor layer, and a metal layer in contact with the opposite side of the ferromagnetic insulating layer to the semiconductor layer side And having
The spin transistor, wherein the ferromagnetic insulating layer forms a tunnel barrier between the semiconductor layer and the metal layer, and the semiconductor layer and the metal layer are made of a material that makes a Schottky contact when they are in direct contact with each other.
前記強磁性絶縁層は前記半導体層と前記金属層間のトンネル障壁を形成し、前記半導体層と前記金属層は互いに直接接触させた場合にショットキー接触する材料からなる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。 Each of the source electrode layer and the drain electrode layer includes a ferromagnetic insulating layer as the ferromagnetic layer in contact with the semiconductor layer, a metal layer in contact with a side opposite to the semiconductor layer side of the ferromagnetic insulating layer, Have
3. The ferromagnetic insulating layer forms a tunnel barrier between the semiconductor layer and the metal layer, and the semiconductor layer and the metal layer are made of a material that makes a Schottky contact when brought into direct contact with each other. The spin transistor according to 1.
The spin transistor according to claim 8, wherein coercive forces of the ferromagnetic layers of the source electrode layer and the drain electrode layer are different from each other.
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KR101113885B1 (en) | 2011-02-21 | 2012-03-06 | 서울대학교산학협력단 | Two bit rram using inverted staggered thin film transistor structure |
JP2016063087A (en) * | 2014-09-18 | 2016-04-25 | 三星電子株式会社Samsung Electronics Co.,Ltd. | Magnetic tunnel junction element and magnetic random access memory |
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