JP2009200351A - Semiconductor spin device and spin fet - Google Patents

Semiconductor spin device and spin fet Download PDF

Info

Publication number
JP2009200351A
JP2009200351A JP2008041962A JP2008041962A JP2009200351A JP 2009200351 A JP2009200351 A JP 2009200351A JP 2008041962 A JP2008041962 A JP 2008041962A JP 2008041962 A JP2008041962 A JP 2008041962A JP 2009200351 A JP2009200351 A JP 2009200351A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
spin
semiconductor
electrode
resistance
ratio
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2008041962A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Toru Oikawa
亨 及川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Corp
Original Assignee
TDK Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TDK Corp filed Critical TDK Corp
Priority to JP2008041962A priority Critical patent/JP2009200351A/en
Publication of JP2009200351A publication Critical patent/JP2009200351A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor spin device capable of improving an MR ratio and a spin FET capable of improving an MR ratio especially between a source and a drain. <P>SOLUTION: Although a value of source-side interface resistance of a spin MOSFET is essentially different from a value of drain-side interface resistance, these values are made to approximately coincide with each other by adjusting the thickness of a tunnel barrier layer in the interface. Consequently, electrical symmetry in the spin MOSFET can be secured, and when a condition for the case is analyzed, an improved MR ratio is found out. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体スピンデバイス及びこれを利用したスピンFETに関する。   The present invention relates to a semiconductor spin device and a spin FET using the same.

スピン技術と半導体技術とを用いる半導体スピンエレクトロニクスは、次世代電子デバイスの基幹技術として注目されている。半導体スピンデバイスでは、特定のスピンを有するキャリアを半導体内部に注入し、半導体内においてキャリアを伝導させている。   Semiconductor spin electronics using spin technology and semiconductor technology is attracting attention as a key technology for next-generation electronic devices. In a semiconductor spin device, carriers having a specific spin are injected into a semiconductor and the carriers are conducted in the semiconductor.

例えば、スピンMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)においては、ソース電極から半導体内部にスピンを注入し、このスピンをドレイン電極から取り出している。スピンMOSFETは、例えば、菅原氏及び田中氏による特許文献1や非特許文献1に記載されている。   For example, in a spin MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), a spin is injected into a semiconductor from a source electrode, and this spin is taken out from a drain electrode. Spin MOSFETs are described in, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 by Mr. Sugawara and Mr. Tanaka.

特許文献1や非特許文献1に記載のスピンMOSFETの構造は、従来のショットキMOSFETをベースとしており、ソース電極及びドレイン電極に磁性体を用いており、磁性体からSiチャネルに、スピン分極した電流が注入される。普通のMOSFETはゲート電圧による電流の制御を行うが、スピンMOSFETではゲート電圧に加え、外部磁場などの制御方法が新たに加わる。すなわち、ソース電極とドレイン電極の磁化の向きの相対角度によって、磁気抵抗効果による出力電流が変化する。通常は、ソース電極の磁化の向きを固定し、ドレイン電極をフリー層として磁化を平行/反平行と切り替える。   The structure of the spin MOSFET described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 is based on a conventional Schottky MOSFET, uses a magnetic material for the source electrode and the drain electrode, and spin-polarized current from the magnetic material to the Si channel. Is injected. A normal MOSFET controls a current by a gate voltage, but a spin MOSFET newly adds a control method such as an external magnetic field in addition to a gate voltage. That is, the output current due to the magnetoresistive effect varies depending on the relative angle of the magnetization directions of the source electrode and the drain electrode. Usually, the direction of magnetization of the source electrode is fixed, and the magnetization is switched between parallel / antiparallel with the drain electrode as a free layer.

一定のスピン流をソース電極から半導体内に供給すると、その制御幅は電極のスピン分極率が高いほど大きくなる。ソース電極及びドレイン電極に、100%の分極率を有するハーフメタルを用いた場合には、これらの磁化の向きが反平行時には、抵抗が無限大となって小さな電圧では電流が流れなくなる。また、ソース−ドレイン間電圧がハーフメタルのバンドギャップ以上となって初めて電流が流れる。このように、磁化の向きで電流がスイッチされるのがスピンMOSFETの特徴である。   When a constant spin current is supplied from the source electrode into the semiconductor, the control width increases as the spin polarizability of the electrode increases. When a half metal having a polarizability of 100% is used for the source electrode and the drain electrode, when these magnetization directions are antiparallel, the resistance becomes infinite and no current flows at a small voltage. In addition, the current flows only when the source-drain voltage is equal to or greater than the half-metal band gap. As described above, the current is switched depending on the magnetization direction, which is a feature of the spin MOSFET.

強磁性体からなるドレイン電極の磁化の向きを、デジタル値に対応づけておくと、ドレイン電極から取り出されるキャリア量が磁化の向きによって変わるため、この磁化の向きを外部から制御することで、これをMRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)に利用することもできる。   If the magnetization direction of the drain electrode made of a ferromagnetic material is associated with a digital value, the amount of carriers extracted from the drain electrode changes depending on the magnetization direction, so this can be controlled by controlling the magnetization direction from the outside. Can also be used for MRAM (Magnetoretic Random Access Memory).

ここで、半導体スピントロニクスにおける最重要課題の一つとして、半導体へのスピン注入効率の改善という問題がある。一般に、金属と半導体では電気抵抗率が4〜6桁異なる。電気抵抗率が異なる物質の接合界面では、スピン流が反射されることが知られている。すなわち、金属磁性体から半導体へのスピン偏極電流の通電について考えると、界面近傍における電気抵抗率の違いにより、多くのスピンは半導体内部に注入され難いという問題がある。   Here, as one of the most important issues in semiconductor spintronics, there is a problem of improving the efficiency of spin injection into the semiconductor. Generally, metal and semiconductor differ in electrical resistivity by 4 to 6 digits. It is known that the spin current is reflected at the junction interface of materials having different electrical resistivity. In other words, considering the application of spin-polarized current from the metal magnetic material to the semiconductor, there is a problem that many spins are difficult to be injected into the semiconductor due to the difference in electrical resistivity in the vicinity of the interface.

強磁性体内を流れているスピン分極電流は、抵抗の大きい物質との接合界面を透過した途端に分極率が減衰する。これが導電率不整合(Conductivity Mismatch)といわれる問題である。Schmidt氏らによる非特許文献2は、電気化学ポテンシャル計算に基づく半導体へのスピン注入モデルを開示している。   The polarizability of the spin-polarized current flowing in the ferromagnetic body attenuates as soon as it passes through the junction interface with a substance having a large resistance. This is a problem referred to as “conductivity mismatch”. Non-patent document 2 by Schmidt et al. Discloses a spin injection model to a semiconductor based on electrochemical potential calculation.

このような導電率不整合を回避するため、強磁性体と半導体との界面にトンネル絶縁膜を挿入する手法が提案されている。例えば、非特許文献5は、このような手法を用いることで、高いスピン注入効率を達成した半導体スピンデバイスを開示している。スピン注入の評価においては、キャリアの注入時において電子とホールが結合して放射される発光の楕円率を測定する。発光の測定には、主に直接遷移型半導体材料であるGaAsが用いられている。なぜならば、間接遷移型の単結晶Siは発光しないためである。   In order to avoid such a conductivity mismatch, a method of inserting a tunnel insulating film at the interface between the ferromagnetic material and the semiconductor has been proposed. For example, Non-Patent Document 5 discloses a semiconductor spin device that achieves high spin injection efficiency by using such a technique. In the evaluation of spin injection, the ellipticity of light emission emitted by combining electrons and holes during carrier injection is measured. For the measurement of luminescence, GaAs which is a direct transition type semiconductor material is mainly used. This is because indirect transition type single crystal Si does not emit light.

光学測定では、スピン偏極電流を半導体から実際に取り出すという操作は不要である。スピン偏極電流の注入に加えて、スピン流の検出(=取り出し)も同時に考慮した場合、磁気抵抗効果には最適なトンネル抵抗が存在することが、Fert氏らによる非特許文献4において指摘されている。非特許文献4によれば、トンネル膜の界面抵抗が、半導体のスピン拡散長あたりの抵抗(スピン抵抗)に一致したときに大きなMR比が得られる旨が示されている。非特許文献4によれば、この界面抵抗の大きさが当該一致した値から変位すると、詳細には、界面抵抗値が一致値と比較して2桁大きくなる又は2桁小さくなると、MR比は約1桁小さくなることが示されている。   In the optical measurement, the operation of actually taking out the spin-polarized current from the semiconductor is unnecessary. Non-Patent Document 4 by Fert et al. Pointed out that an optimum tunneling resistance exists for the magnetoresistive effect when the detection (= extraction) of the spin current is considered in addition to the injection of the spin-polarized current. ing. Non-Patent Document 4 shows that a large MR ratio can be obtained when the interface resistance of the tunnel film coincides with the resistance per semiconductor spin diffusion length (spin resistance). According to Non-Patent Document 4, when the magnitude of the interface resistance is deviated from the matched value, in detail, when the interface resistance value is increased by two orders of magnitude or two orders of magnitude compared to the matched value, the MR ratio is It is shown to be about an order of magnitude smaller.

非特許文献3は、オランダのTwente大学のMin氏らのチームによって開示されたものであり、同文献では、半導体スピンデバイスの実現のキー技術は非特許文献4に開示された整合条件にあるという観点から、実際に整合するかどうかの検討を行っている。非特許文献3によれば、絶縁膜と磁性電極膜の間に仕事関数の小さなガドリニウム(Gd)膜を挿入しており、これによりショットキ障壁の高さを低減し、導電率整合を実現した旨が開示されている。   Non-Patent Document 3 was disclosed by Min et al.'S team at Twente University in the Netherlands. According to the same document, the key technology for realizing a semiconductor spin device is in the matching condition disclosed in Non-Patent Document 4. From the point of view, we are examining whether it is actually consistent. According to Non-Patent Document 3, a gadolinium (Gd) film having a small work function is inserted between the insulating film and the magnetic electrode film, thereby reducing the height of the Schottky barrier and realizing conductivity matching. Is disclosed.

金属と半導体を接合させた場合、界面はショットキ接触を構成する。半導体の分野では安定なショットキ面が得られるシリサイドなどが実用化されている。残念ながらそれらシリサイドは非磁性体であり、スピンMOSFETの実用化はそれらにとって変わる磁性体を見出すことにかかっている。ショットキ接合ができることはスピンMOSFETの動作にとって歓迎されることで、それは導電率不整合(conductive mismatch)が解決されるからである。   When a metal and a semiconductor are bonded, the interface forms a Schottky contact. In the field of semiconductors, silicide and the like that can provide a stable Schottky surface have been put into practical use. Unfortunately, these silicides are non-magnetic materials, and the practical application of spin MOSFETs depends on finding magnetic materials that can change them. The ability to create a Schottky junction is welcome for the operation of the spin MOSFET because it eliminates the conductive mismatch.

スピンMOSFETの基本的なアイデイアは、ショットキ障壁をトンネルバリアとして利用し、導電率不整合を解決するものであるが、前述の非特許文献3のように、絶縁膜(トンネル膜)を併用する場合もある。以上のように、従来のスピンMOSFETにおいては、ショットキ障壁を流れるトンネル電流によって、ソース電極と半導体とを電気的に接続している。   The basic idea of a spin MOSFET is to solve a conductivity mismatch by using a Schottky barrier as a tunnel barrier. However, as in Non-Patent Document 3 described above, an insulating film (tunnel film) is used together. There is also. As described above, in the conventional spin MOSFET, the source electrode and the semiconductor are electrically connected by the tunnel current flowing through the Schottky barrier.

国際公開WO2004/079827号パンフレットInternational Publication WO2004 / 0779827 Pamphlet Satoshi Sugahara et al., "A Spin metal−oxide−semiconductor field−effect transistor using half−metallic−ferromagnet contacts for the source and drain", Appl. Phys. Letters, March 29, 2000, Vol.84, No.13, p.2307〜2309Satoshi Sugahara et al. "A Spin metal-oxide-semiconductor field-effect transistor using half-metallic-ferromagnetic contacts for the source and drain.", Appl. Phys. Letters, March 29, 2000, Vol. 84, no. 13, p. 2307 to 2309 G. Schmidt et al., "fundamental obstacle for electrical spin injection from a ferromagnetic metal into a diffusive semiconductor, Phys. Rev. B, August 15, 2000, Vol. 62. No. 8, p.R4790〜R4793G. Schmidt et al. , "Fundamental obstral for electrical spin injection from a ferromagnetic metal into a diffuse semiconductor, Phys. Rev. B, Aug. 15 p. B. C. Min et al., "Tunable Spin−tunnel contacts to silicon using low−work−function ferromagnets", Nature materials, October 2006, Vol.5, p.817〜822B. C. Min et al. , “Tunable Spin-tunnel contacts to silicon using low-work-function ferromagnets”, Nature materials, October 2006, Vol. 5, p. 817-822 A. Fert et al., "Conditions for efficient spin injection from a ferromagnetic metal into a semiconductor", Phys. Rev. B, October 19, 2001, Vol.64, p.184420−1〜184420−9A. Fert et al. , "Conditions for effective spin injection from a ferromagnetic metal into a semiconductor", Phys. Rev. B, October 19, 2001, Vol. 64, p. 184420-1 to 184420-9 X. Jiang et al. "Highly efficient room−temperature tunnel spin injector using CoFe/MgO (001)", IBM J. Res. and Dev., January, 2006, Vol.50, No. 1, p.111〜120X. Jiang et al. "Highly efficient room-temperature tunnel spin injector using CoFe / MgO (001)", IBM J. MoI. Res. and Dev. , January, 2006, Vol. 50, no. 1, p. 111-120

しかしながら、半導体スピンデバイスにおいて、特に、スピンMOSFETにおいては、MR比を高めるためには如何にすればよいかは技術的には不明であった。   However, in a semiconductor spin device, particularly in a spin MOSFET, how to increase the MR ratio has been technically unknown.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、MR比を高めることが可能な半導体スピンデバイス、及び、特に、ソースとドレインとの間のMR比を向上させることが可能なスピンFETを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a problem, and a semiconductor spin device capable of increasing the MR ratio, and in particular, a spin capable of improving the MR ratio between the source and the drain. An object is to provide an FET.

上述の課題を解決するため、本発明に係る半導体スピンデバイスは、固定層からなる第1電極と、フリー層からなる第2電極と、第1及び第2電極が設けられた半導体領域と、を備え、第1電極と半導体領域との間に介在する第1トンネル障壁層の厚みdと、第2電極と半導体領域との間に介在する第2トンネル障壁層の厚みdは、以下の関係式:d<dを満たすことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a semiconductor spin device according to the present invention includes a first electrode made of a fixed layer, a second electrode made of a free layer, and a semiconductor region provided with the first and second electrodes. And the thickness d S of the first tunnel barrier layer interposed between the first electrode and the semiconductor region and the thickness d D of the second tunnel barrier layer interposed between the second electrode and the semiconductor region are as follows: The relational expression: d S <d D is satisfied.

半導体スピンデバイスにおける第1電極(ソース側)の界面抵抗と第2電極(ドレイン側)の界面抵抗の値は本来異なっているが、これらの界面におけるトンネル障壁層の厚みを上記の如く設定することにより、これらを略一致させることができる。これにより、半導体スピンデバイスにおける電気的な対称性が確保され、この場合の条件を解析すると、MR比が高くなることが見出された。   Although the interface resistance of the first electrode (source side) and the interface resistance of the second electrode (drain side) in the semiconductor spin device are inherently different, the thickness of the tunnel barrier layer at these interfaces should be set as described above. Thus, these can be substantially matched. As a result, electrical symmetry in the semiconductor spin device is ensured, and it was found that the MR ratio becomes high when the conditions in this case are analyzed.

さらに好適には、第1トンネル障壁層は第1絶縁層を有しており、第2トンネル障壁層は第2絶縁層を有しており、第1絶縁層の厚みdと、第2絶縁層の厚みdは、以下の関係式:d<dを満たすことが好ましい。この場合、第1、第2絶縁層の厚みd、dに律則され、ドレイン側の厚みdがソース側の厚みdよりも相対的に厚くなるため、上記の如く半導体スピンデバイスの電気的な対称性が確保され、MR比が高くなる。 More preferably, the first tunnel barrier layer has a first insulating layer, the second tunnel barrier layer has a second insulating layer, the thickness d 1 of the first insulating layer, and the second insulating layer The layer thickness d 2 preferably satisfies the following relational expression: d 1 <d 2 . In this case, the thickness is determined by the thicknesses d 1 and d 2 of the first and second insulating layers, and the thickness d D on the drain side is relatively larger than the thickness d S on the source side. The electrical symmetry is ensured, and the MR ratio is increased.

第1トンネル障壁層は半導体領域よりも広いエネルギーバンドギャップを有する第1半導体層を有しており、第2トンネル障壁層は半導体領域よりも広いエネルギーバンドギャップを有する第2半導体層を有していてもよい。この場合、第1、第2半導体層の厚みd、dに律則され、ドレイン側の厚みdがソース側の厚みdよりも相対的に厚くなるため、上記の如く半導体スピンデバイスの電気的な対称性が確保され、MR比が高くなる。 The first tunnel barrier layer has a first semiconductor layer having an energy band gap wider than that of the semiconductor region, and the second tunnel barrier layer has a second semiconductor layer having an energy band gap wider than that of the semiconductor region. May be. In this case, the thickness is determined by the thicknesses d 1 and d 2 of the first and second semiconductor layers, and the thickness d D on the drain side is relatively thicker than the thickness d S on the source side. The electrical symmetry is ensured, and the MR ratio is increased.

半導体スピンデバイスとしては、スピン伝導が行われるものであれば、TMR素子などの磁気ヘッド素子やスピンMOSFET、スピン接合型FETが考えられる。   As the semiconductor spin device, a magnetic head element such as a TMR element, a spin MOSFET, and a spin junction FET can be considered as long as spin conduction is performed.

本発明に係るスピンFETは、上述の半導体スピンデバイスを有するスピンFETにおいて、第1電極をソース電極とし、第2電極をドレイン電極とし、ソース電極とドレイン電極との間の半導体領域のポテンシャルを制御するゲート電極を備えることを特徴とする。   The spin FET according to the present invention is a spin FET having the semiconductor spin device described above, wherein the first electrode is a source electrode, the second electrode is a drain electrode, and the potential of the semiconductor region between the source electrode and the drain electrode is controlled. The gate electrode is provided.

この場合のスピンFETは、ソースとドレインの間のMR比を高めることができ、MRAMなどに利用した場合には、データの読み出し精度を向上させることができる。   The spin FET in this case can increase the MR ratio between the source and the drain, and when used in an MRAM or the like, it can improve the data read accuracy.

本発明に係る半導体スピンデバイス、特にスピンFETによれば、MR比を高めことができる。   The semiconductor spin device according to the present invention, particularly the spin FET, can increase the MR ratio.

以下、実施の形態に係る半導体スピンデバイスとしてのスピンMOSFETについて説明する。なお、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、実施形態の説明に先立って、基本的なスピンMOSFETの構成について説明する。   Hereinafter, a spin MOSFET as a semiconductor spin device according to an embodiment will be described. Note that the same reference numerals are used for the same elements, and redundant description is omitted. Prior to the description of the embodiment, the basic configuration of the spin MOSFET will be described.

図1は、基本的なスピンMOSFETの平面図であり、図2は、図1に示したスピンMOSFETのII−II矢印線断面図である。   FIG. 1 is a plan view of a basic spin MOSFET, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II of the spin MOSFET shown in FIG.

このスピンMOSFETは、半導体基板(半導体領域)1Aと、半導体基板1A上に設けられたソース電極(第1電極)2Sと、ドレイン電極(第2電極)2Dと、半導体基板1Aのソース電極2Sとドレイン電極2Dとの間の領域上に設けられた絶縁膜3と、絶縁膜3上に設けられたゲート電極4を備えている。半導体基板1Aの表面は、ソース電極2S及びドレイン電極2Dが設けられる箇所がエッチングされており、ソース電極2S及びドレイン電極2Dの側面間に半導体基板1A内に形成されるチャネルが位置する。   The spin MOSFET includes a semiconductor substrate (semiconductor region) 1A, a source electrode (first electrode) 2S provided on the semiconductor substrate 1A, a drain electrode (second electrode) 2D, and a source electrode 2S of the semiconductor substrate 1A. An insulating film 3 provided on a region between the drain electrode 2D and a gate electrode 4 provided on the insulating film 3 are provided. The surface of the semiconductor substrate 1A is etched at portions where the source electrode 2S and the drain electrode 2D are provided, and a channel formed in the semiconductor substrate 1A is positioned between the side surfaces of the source electrode 2S and the drain electrode 2D.

ソース電極2Sと半導体基板1Aは接触しており、これらの接触界面から半導体基板1A内に空乏層が広がっている。強磁性体の金属からなるソース電極2Sと半導体基板1Aはショットキ接触しており、このショットキ障壁を形成する半導体基板1A内の領域1Sは、ソース電極2Sと半導体基板1Aの界面から基板内に広がっている。   The source electrode 2S and the semiconductor substrate 1A are in contact with each other, and a depletion layer spreads in the semiconductor substrate 1A from these contact interfaces. The source electrode 2S made of a ferromagnetic metal and the semiconductor substrate 1A are in Schottky contact, and the region 1S in the semiconductor substrate 1A that forms this Schottky barrier extends from the interface between the source electrode 2S and the semiconductor substrate 1A into the substrate. ing.

同様に、ドレイン電極2Dと半導体基板1Aも接触しており、これらの接触界面から半導体基板1A内に空乏層が広がっている。強磁性体の金属からなるドレイン電極2Dと半導体基板1Aはショットキ接触しており、このショットキ障壁を形成する半導体基板1A内の領域1Dは、ドレイン電極2Dと半導体基板1Aの界面から基板内に広がっている。   Similarly, the drain electrode 2D and the semiconductor substrate 1A are in contact with each other, and a depletion layer spreads in the semiconductor substrate 1A from these contact interfaces. The drain electrode 2D made of a ferromagnetic metal and the semiconductor substrate 1A are in Schottky contact, and the region 1D in the semiconductor substrate 1A that forms this Schottky barrier extends from the interface between the drain electrode 2D and the semiconductor substrate 1A into the substrate. ing.

この接触界面の領域1S、1D内には、キャリアとなる不純物がそれぞれ添加されている。添加される不純物の深さは浅く、所謂デルタドープが行われている。不純物の添加方法としては、イオン注入法が好ましいが、拡散法を用いても構わない。不純物の添加は、絶縁膜3を半導体基板1A上に形成した後、これをマスクとして基板表面から不純物をイオン注入するか、熱拡散を行えばよい。   Impurities serving as carriers are added to the contact interface regions 1S and 1D, respectively. The impurity to be added is shallow, and so-called delta doping is performed. As an impurity addition method, an ion implantation method is preferable, but a diffusion method may be used. Impurities may be added by forming an insulating film 3 on the semiconductor substrate 1A and then ion-implanting impurities from the substrate surface using this as a mask or by thermal diffusion.

ソース電極2Sは、磁化の向きDMSが固定された固定層からなり、ドレイン電極2Dは、外部磁界又は閾値を超えるスピン注入によって磁化の向きDMDが反転するフリー層である。ソース電極2Sとドレイン電極2Dとの間に偏極スピンが流れる条件が満たされている場合、ソース電極2Sの磁化の向きDMSと、ドレイン電極2Dの磁化の向きDMDが一致しているときには、ソース電極2Sとドレイン電極2Dとの間を流れる電流は大きく、ソース電極/ドレイン電極間の磁気抵抗は小さくなる。また、ソース電極2Sとドレイン電極2Dとの間に偏極スピンが流れる条件が満たされている場合、ソース電極2Sの磁化の向きDMSと、ドレイン電極2Dの反転した磁化の向きDMD’が逆向きのときには、ソース電極2Sとドレイン電極2Dとの間を流れる電流は小さく、ソース電極/ドレイン電極間の磁気抵抗は大きくなる。   The source electrode 2S is composed of a fixed layer in which the magnetization direction DMS is fixed, and the drain electrode 2D is a free layer in which the magnetization direction DMD is reversed by an external magnetic field or spin injection exceeding a threshold value. When the condition for the polarization spin to flow between the source electrode 2S and the drain electrode 2D is satisfied, when the magnetization direction DMS of the source electrode 2S matches the magnetization direction DMD of the drain electrode 2D, the source The current flowing between the electrode 2S and the drain electrode 2D is large, and the magnetoresistance between the source electrode / drain electrode is small. In addition, when the condition where the polarized spin flows between the source electrode 2S and the drain electrode 2D is satisfied, the magnetization direction DMS of the source electrode 2S and the inverted magnetization direction DMD ′ of the drain electrode 2D are opposite to each other. In this case, the current flowing between the source electrode 2S and the drain electrode 2D is small, and the magnetoresistance between the source electrode and the drain electrode is large.

ここで、各電極と半導体との間の構造について考えてみる。まず、不純物のデルタドープが全く行われていない場合について考察する。   Now consider the structure between each electrode and the semiconductor. First, consider the case where no delta doping of impurities is performed.

スピンMOSFETのソース電極2Sの界面近傍と、ドレイン電極2Dの界面近傍は、それぞれショットキーダイオードを構成しており、電子をキャリアとするのであれば、ソース電極近傍のダイオードには逆方向電圧が印加され、ドレイン電極近傍のダイオードには順方向電圧が印加される。ソース/ドレイン間電圧Vdsが小さい場合、ドレイン電極側にもトンネル効果が生じる程度の厚みのショットキ障壁が残るが、ソース/ドレイン間電圧Vdsがショットキ障壁の高さよりも大きくなると、ドレイン側の障壁は非常に小さくなり、ドレイン電極界面近傍では、拡散によるキャリア伝導が支配的になる。   The vicinity of the interface of the source electrode 2S of the spin MOSFET and the vicinity of the interface of the drain electrode 2D constitute a Schottky diode. If electrons are used as carriers, a reverse voltage is applied to the diode near the source electrode. A forward voltage is applied to the diode near the drain electrode. When the source / drain voltage Vds is small, a Schottky barrier with a thickness sufficient to cause a tunnel effect remains on the drain electrode side. However, when the source / drain voltage Vds is higher than the height of the Schottky barrier, the barrier on the drain side In the vicinity of the drain electrode interface, carrier conduction due to diffusion becomes dominant near the drain electrode interface.

すなわち、不純物の添加がない場合、ソース電極界面近傍とドレイン電極界面近傍の電気的な構成は非対称である。詳説すれば、ソース電極2S側の界面抵抗は高く、ドレイン側の界面抵抗は低くなる。このように、スピンMOSFETにおいては、本質的には、キャリア注入側とキャリア取出側の抵抗が異なっている。   That is, when no impurity is added, the electrical configuration near the source electrode interface and the drain electrode interface is asymmetric. More specifically, the interface resistance on the source electrode 2S side is high, and the interface resistance on the drain side is low. Thus, in the spin MOSFET, the resistances on the carrier injection side and the carrier extraction side are essentially different.

ここで、少なくともドレイン側にトンネル抵抗を付加すれば、ソース電極近傍とドレイン電極近傍の電気的な構造の対称性を高めることができる。本願発明は、本来は異なっている電気的な対称性をトンネル抵抗の付加によって高めることにより、MR比を著しく向上させることができる旨を発見した。すなわち、半導体スピンデバイスにおけるスピン注入効率を向上させると共に、スピンの取り出し効率が向上し、MR比を高めることができる。これは、双方の界面における導電率整合(抵抗整合)条件が満たされたためであり、このとき大きな磁気抵抗を得ることができる。 Here, if a tunnel resistance is added at least to the drain side, the symmetry of the electrical structure in the vicinity of the source electrode and the vicinity of the drain electrode can be enhanced. The present invention has found that the MR ratio can be remarkably improved by increasing the originally different electrical symmetry by adding a tunnel resistance. That is, the spin injection efficiency in the semiconductor spin device can be improved, the spin extraction efficiency can be improved, and the MR ratio can be increased. This is because the conductivity matching (resistance matching) condition at both interfaces is satisfied, and a large magnetoresistance can be obtained at this time.

図3(a)は、各要素を模式化したFETの図であり、図3(b)は、図3(a)に示した要素の各位置におけるエネルギーを示すエネルギーバンド図である。Ecは伝導帯の下端、Evは価電子帯の上端を示す。   FIG. 3A is a diagram of an FET in which each element is schematically shown, and FIG. 3B is an energy band diagram showing energy at each position of the element shown in FIG. Ec is the lower end of the conduction band, and Ev is the upper end of the valence band.

ソース電極2Sからショットキ障壁(ポテンシャル障壁)を構成する半導体領域1Sを介して注入されたキャリアは、注入時のスピン状態を維持したまま、内部電界に従って、半導体基板1A内を走行し、ドレイン側のショットキ障壁(ポテンシャル障壁)を構成する半導体領域1Dを介してドレイン電極2D内に流れ込む。半導体基板1A内のポテンシャルは、ゲート電極に印加される電位に依存しており、ソース/ドレイン間電圧Vdsを印加した状態で、ソース電極2Sとドレイン電極2Dの磁化の向きを一致させ、且つ、半導体領域1S及び1Dをスピンが透過できる厚みになる程度に高ポテンシャルのゲート電位をゲート電極4に印加すると、ソース電極2Sからドレイン電極2Dにキャリアが流れる。ソース電極2Sとドレイン電極2Dの磁化の向きが不一致である場合には、ソース電極2Sからドレイン電極2Dにキャリアが流れない。また、高ポテンシャルのゲート電位をゲート電極4に印加しない場合には、キャリアは流れない。   Carriers injected from the source electrode 2S through the semiconductor region 1S constituting the Schottky barrier (potential barrier) travel in the semiconductor substrate 1A according to the internal electric field while maintaining the spin state at the time of injection, It flows into the drain electrode 2D through the semiconductor region 1D constituting the Schottky barrier (potential barrier). The potential in the semiconductor substrate 1A depends on the potential applied to the gate electrode, and in the state where the source / drain voltage Vds is applied, the magnetization directions of the source electrode 2S and the drain electrode 2D are matched, and When a gate potential having a high potential is applied to the gate electrode 4 to such a thickness that the spin can pass through the semiconductor regions 1S and 1D, carriers flow from the source electrode 2S to the drain electrode 2D. When the magnetization directions of the source electrode 2S and the drain electrode 2D do not match, carriers do not flow from the source electrode 2S to the drain electrode 2D. Further, when a high potential gate potential is not applied to the gate electrode 4, carriers do not flow.

ドレイン電極2Dの磁化の向きを「0」、「1」に対応づけると、ドレイン電極2Dから出力されるキャリアの有無に応じて、デジタル値が記憶されていることになり、MRAMとして機能する。ドレイン電極2Dの磁化の向きは外部から磁界を印加するか、半導体基板1Aの適当な位置に設けられた図示しない特定の強磁性体電極をスピンバルブとして、ドレイン電極2D内に規定量よりも大きな量のスピンを注入すれば、ドレイン電極2Dの磁化の向きが注入されたスピンの向きに揃うように変化する。すなわち、外部磁界又は磁化反転制御用のスピン注入の方向を切り替えることで、ドレイン電極2Dの磁化の向きを切り替えることができる。   When the magnetization direction of the drain electrode 2D is associated with “0” and “1”, a digital value is stored according to the presence or absence of carriers output from the drain electrode 2D, and functions as an MRAM. The direction of magnetization of the drain electrode 2D is larger than a prescribed amount in the drain electrode 2D by applying a magnetic field from the outside or using a specific ferromagnetic electrode (not shown) provided at an appropriate position of the semiconductor substrate 1A as a spin valve. If an amount of spins is injected, the magnetization direction of the drain electrode 2D changes so as to be aligned with the injected spin direction. That is, the direction of magnetization of the drain electrode 2D can be switched by switching the direction of spin injection for external magnetic field or magnetization reversal control.

次に、上述のように、ソース側に比べて比較的大きなトンネル抵抗を、ドレイン側に付加した実施形態について説明する。上記では、ソース電極2Sからのスピン注入効率を高め、ドレイン電極2Dからスピンを効率的に取り出すことで、MR比を高めるためには、トンネル障壁の厚さを調整して導電率整合条件を満たすことが好ましいことに言及した。理論的には、完全な導電率整合が行われることが好ましいが、多少ずれていても一定の効果を得ることができる。   Next, an embodiment in which a relatively large tunnel resistance is added to the drain side as described above will be described. In the above, in order to increase the MR ratio by increasing the spin injection efficiency from the source electrode 2S and efficiently extracting the spin from the drain electrode 2D, the thickness of the tunnel barrier is adjusted to satisfy the conductivity matching condition. It was mentioned that it was preferable. Theoretically, it is preferable that perfect conductivity matching is performed, but a certain effect can be obtained even if there is a slight deviation.

図4は、第1の実施形態に係るスピンMOSFETの平面図である。また、図5は図4に示したスピンMOSFETのV−V矢印線断面図である。このスピンMOSFETは、半導体基板1Aとソース電極2Sとの間にポテンシャル障壁層(トンネル障壁層)1S’が介在し、半導体基板1Aとドレイン電極2Dとの間にポテンシャル障壁層(トンネル障壁層)1D’が介在している点が図1〜3と異なっており,他の構成は同一である。   FIG. 4 is a plan view of the spin MOSFET according to the first embodiment. FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line VV of the spin MOSFET shown in FIG. In this spin MOSFET, a potential barrier layer (tunnel barrier layer) 1S ′ is interposed between the semiconductor substrate 1A and the source electrode 2S, and a potential barrier layer (tunnel barrier layer) 1D is interposed between the semiconductor substrate 1A and the drain electrode 2D. 1-3 is different from FIGS. 1 to 3 in that the other configuration is the same.

図6(a)は、第1実施形態のFETの各要素を模式化したFETの図であり、図6(b)は、図6(a)に示した要素の各位置におけるエネルギーを示すエネルギーバンド図である。   FIG. 6A is a diagram of an FET schematically showing each element of the FET of the first embodiment, and FIG. 6B is an energy showing energy at each position of the element shown in FIG. It is a band diagram.

ソース電極2Sから注入された偏極スピンは、ポテンシャル障壁層1S’を含むポテンシャル障壁層1Sをトンネルして、半導体基板1A内に流入する。また、この偏極スピンは、ポテンシャル障壁層1D’を含むポテンシャル障壁1Dをトンネルして、ドレイン電極2Dから取り出される。ドレイン側のポテンシャル障壁層1D’の厚みdは、ソース側のポテンシャル障壁層1S’の厚みよりも厚く設定されている(d<d)。 The polarized spin injected from the source electrode 2S tunnels through the potential barrier layer 1S including the potential barrier layer 1S ′ and flows into the semiconductor substrate 1A. The polarized spin is taken out from the drain electrode 2D through the potential barrier 1D including the potential barrier layer 1D ′. The thickness d 2 of the drain-side potential barrier layer 1D ′ is set larger than the thickness of the source-side potential barrier layer 1S ′ (d 1 <d 2 ).

ポテンシャル障壁層1S’は、半導体基板1Aよりも広いエネルギーバンドギャップを有する半導体層又は絶縁層からなり、ポテンシャル障壁層1D’も、半導体基板1Aよりも広いエネルギーバンドギャップを有する半導体層又は絶縁層からなる。   The potential barrier layer 1S ′ is made of a semiconductor layer or an insulating layer having an energy band gap wider than that of the semiconductor substrate 1A, and the potential barrier layer 1D ′ is also made of a semiconductor layer or insulating layer having an energy band gap wider than that of the semiconductor substrate 1A. Become.

また、電子のトンネルは、ポテンシャル障壁層1S’,1D’の厚みに律則されており、ポテンシャル障壁層1Dの厚みdは、ポテンシャル障壁層1Sの厚みdよりも厚く設定されている(d<d)。なお、これらのポテンシャル障壁層は全てトンネル効果が生じる厚みを有するトンネル障壁層である。なお、本例では、ポテンシャル障壁層1S’,1D’は同一の材料からなることとしている。 Further, the electron tunneling is regulated by the thickness of the potential barrier layers 1S ′ and 1D ′, and the thickness d D of the potential barrier layer 1D is set larger than the thickness d S of the potential barrier layer 1S ( d S <d D ). These potential barrier layers are all tunnel barrier layers having a thickness that causes a tunnel effect. In this example, the potential barrier layers 1S ′ and 1D ′ are made of the same material.

チャネル長(d)は、ポテンシャル障壁層1S’,1D’が絶縁体からなる場合には、ソース電極2Sとドレイン電極2Dとの間の最短距離からポテンシャル障壁層1S’,1D’の厚みを除いた距離で規定する。また、チャネル長(d)は、ポテンシャル障壁層1S’,1D’が半導体基板1Aとは異なる材料の半導体からなる場合には、ソース電極2Sとドレイン電極2Dとの間の最短距離で規定する。   When the potential barrier layers 1S ′ and 1D ′ are made of an insulator, the channel length (d) is obtained by removing the thickness of the potential barrier layers 1S ′ and 1D ′ from the shortest distance between the source electrode 2S and the drain electrode 2D. The distance is specified. The channel length (d) is defined by the shortest distance between the source electrode 2S and the drain electrode 2D when the potential barrier layers 1S 'and 1D' are made of a semiconductor material different from that of the semiconductor substrate 1A.

図3の説明ではスピンの通過するポテンシャル障壁は、金属/半導体の接触に起因するショットキ障壁であったが、本例では、ポテンシャル障壁層1S’,1D’が含まれるポテンシャル障壁1S,1Dである。かかる点を除いて、第1実施形態のFETの動作は、図3に示したものと同一であり、上述のように不純物を添加しているが、これらの不純物は添加されていなくても、ポテンシャル障壁層の厚みがドレイン側で厚ければ、上述のようにMR比を高くすることができる。   In the description of FIG. 3, the potential barrier through which spin passes is a Schottky barrier due to metal / semiconductor contact. . Except for this point, the operation of the FET of the first embodiment is the same as that shown in FIG. 3, and impurities are added as described above, but even if these impurities are not added, If the potential barrier layer is thicker on the drain side, the MR ratio can be increased as described above.

次に、導電率整合条件について詳説する。   Next, the conductivity matching condition will be described in detail.

図7は、ソース電極2Sと半導体基板1Aとの間の規格化された界面抵抗QC1と、ドレイン電極2Dと半導体基板1Aとの間の規格化された界面抵抗QC3とによって得られるMR比の分布を示すグラフである。導電率整合条件はQC1=QC3であり、双方の値が1をとる場合にMR比は最大となる。本実施形態のスピンMOSFETは常にMR比の最大値が得られる整合条件の近くで動作している。ソース/ドレイン間電圧は1Vであるとする。 7, MR ratio obtained by the normalized interface resistance Q C3 between the normalized interface resistance Q C1, the drain electrode 2D and the semiconductor substrate 1A between the source electrode 2S and the semiconductor substrate 1A It is a graph which shows distribution of. The conductivity matching condition is Q C1 = Q C3 , and when both values are 1, the MR ratio is maximized. The spin MOSFET of this embodiment always operates near the matching condition that allows the maximum value of the MR ratio to be obtained. The source / drain voltage is assumed to be 1V.

前述のように、不純物無添加の場合には、ソース電極界面及びドレイン電極界面の電気的構成は非対称であるため、この対称性を向上させて、導電率整合を達成するため、ドレイン側のトンネル障壁層1Dの厚さd(d)をソース側1Sの厚さd(d)より大きくしている. As described above, when no impurities are added, the electrical configuration of the source electrode interface and the drain electrode interface is asymmetric. Therefore, in order to improve this symmetry and achieve conductivity matching, the tunnel on the drain side is used. The thickness d D (d 2 ) of the barrier layer 1D is made larger than the thickness d S (d 1 ) of the source side 1S.

なお、N(/cm)は、ソース電極2Sの設けられた位置における半導体基板1Aの表面の不純物濃度を示し、D(nm)は、この不純物の拡散深さを示し、N(/cm)はドレイン電極2Dの設けられた位置における半導体基板1Aの表面の不純物濃度を示し、D(nm)はこの不純物の拡散深さを示す。 N S (/ cm 3 ) represents the impurity concentration of the surface of the semiconductor substrate 1A at the position where the source electrode 2S is provided, D S (nm) represents the diffusion depth of this impurity, and N D ( / Cm 3 ) indicates the impurity concentration on the surface of the semiconductor substrate 1A at the position where the drain electrode 2D is provided, and D D (nm) indicates the diffusion depth of this impurity.

図7の領域RG1内のデータ群(丸印)は、上記MR比の最大値の10%以上のMR比が得られる界面抵抗QC1,QC3の組み合わせを示している。領域RG1内のデータは、添加された不純物濃度及び深さが以下条件の場合である。
1×1016(/cm)≦N(/cm)≦1×1020(/cm
1×1016(/cm)≦N(/cm)≦1×1020(/cm
1(nm)≦D(nm)≦100(nm)
1(nm)≦D(nm)≦100(nm)
3(nm)≦d(nm)≦10(nm)
3(nm)≦d(nm)≦10(nm)
0.5(nm)≦d(nm)≦3(nm)
0.5(nm)≦d(nm)≦5(nm)
上述の領域1Sを通過する場合の抵抗RC1、及び領域1Dを通過する場合の抵抗RC3は、抵抗RC1<抵抗RC3であり、それぞれの好適な範囲は1kΩ〜30kΩである。
A data group (circle) in the region RG1 in FIG. 7 shows a combination of interface resistances Q C1 and Q C3 that can obtain an MR ratio of 10% or more of the maximum value of the MR ratio. The data in the region RG1 is when the added impurity concentration and depth are as follows.
1 × 10 16 (/ cm 3 ) ≦ N S (/ cm 3 ) ≦ 1 × 10 20 (/ cm 3 )
1 × 10 16 (/ cm 3 ) ≦ N D (/ cm 3) ≦ 1 × 10 20 (/ cm 3)
1 (nm) ≦ D S (nm) ≦ 100 (nm)
1 (nm) ≦ D D (nm) ≦ 100 (nm)
3 (nm) ≦ d S (nm) ≦ 10 (nm)
3 (nm) ≦ d D (nm) ≦ 10 (nm)
0.5 (nm) ≦ d 1 (nm) ≦ 3 (nm)
0.5 (nm) ≦ d 2 (nm) ≦ 5 (nm)
The resistance R C1 when passing through the above-described region 1S and the resistance R C3 when passing through the region 1D are: resistance R C1 <resistance R C3 , and each suitable range is 1 kΩ to 30 kΩ.

なお、各不純物濃度は、MR比を高めるためには以下の関係を満たすことが更に好ましい。
1×1017(/cm)≦N(/cm)≦1×1020(/cm
1×1017(/cm)≦N(/cm)≦1×1020(/cm
Each impurity concentration more preferably satisfies the following relationship in order to increase the MR ratio.
1 × 10 17 (/ cm 3 ) ≦ N S (/ cm 3 ) ≦ 1 × 10 20 (/ cm 3 )
1 × 10 17 (/ cm 3 ) ≦ N D (/ cm 3) ≦ 1 × 10 20 (/ cm 3)

図7の領域RG2内のデータ群(三角印)は、上記MR比の最大値の1%以上のMR比が得られる界面抵抗QC1,QC3の組み合わせを示している。領域RG2内のデータは、添加された不純物濃度及び深さが以下条件の場合である。
1×1015(/cm)≦N(/cm)≦1×1021(/cm
1×1015(/cm)≦N(/cm)≦1×1021(/cm
1(nm)≦D(nm)≦1000(nm)
1(nm)≦D(nm)≦1000(nm)
1(nm)≦d(nm)≦100(nm)
1(nm)≦d(nm)≦100(nm)
0.3(nm)≦d(nm)≦10(nm)
0.3(nm)≦d(nm)≦20(nm)
なお、この場合も、上述の領域1Sを通過する場合の抵抗RC1、及び領域1Dを通過する場合の抵抗RC3は、抵抗RC1<抵抗RC3であり、それぞれの好適な範囲は100〜100kΩである。
A data group (triangle mark) in the region RG2 of FIG. 7 shows a combination of interface resistances Q C1 and Q C3 that can obtain an MR ratio of 1% or more of the maximum value of the MR ratio. Data in the region RG2 is obtained when the added impurity concentration and depth are as follows.
1 × 10 15 (/ cm 3 ) ≦ N S (/ cm 3 ) ≦ 1 × 10 21 (/ cm 3 )
1 × 10 15 (/ cm 3 ) ≦ N D (/ cm 3) ≦ 1 × 10 21 (/ cm 3)
1 (nm) ≦ D S (nm) ≦ 1000 (nm)
1 (nm) ≦ D D (nm) ≦ 1000 (nm)
1 (nm) ≦ d S (nm) ≦ 100 (nm)
1 (nm) ≦ d D (nm) ≦ 100 (nm)
0.3 (nm) ≦ d 1 (nm) ≦ 10 (nm)
0.3 (nm) ≦ d 2 (nm) ≦ 20 (nm)
In this case as well, the resistance R C1 when passing through the above-described region 1S and the resistance R C3 when passing through the region 1D are resistance R C1 <resistance R C3 , and each suitable range is 100 to 100 100 kΩ.

なお、QC3=QC1の直線上と、logQC3=−logQC1の直線上のMR比率が周囲よりも相対的に高くなっている。 Incidentally, a straight line of Q C3 = Q C1, the straight line of the MR ratio of logQ C3 = -logQ C1 becomes relatively higher than ambient.

なお、ここではソース電極2S及びドレイン電極2DはCoFeのような強磁性金属からなり、チャネル長(d)は3μm、半導体基板1Aの抵抗率は1Ω・cmとする。不純物添加は、δドープのイオン注入によって行い、活性化させる。イオン打ち込み量を1×1016/cmから1×1020/cmまで変えることで、界面抵抗QC1,QC3は10MΩから1Ωまで任意に変えることができる。 Here, the source electrode 2S and the drain electrode 2D are made of a ferromagnetic metal such as CoFe, the channel length (d) is 3 μm, and the resistivity of the semiconductor substrate 1A is 1 Ω · cm. Impurity is added by δ-doped ion implantation and activated. By changing the ion implantation amount from 1 × 10 16 / cm 3 to 1 × 10 20 / cm 3 , the interface resistances Q C1 and Q C3 can be arbitrarily changed from 10 MΩ to 1Ω.

また、QC3=β×QC1とすると、βの大きさは界面抵抗の非対称性を示していることになる。イオン注入によれば非対称性係数βは10−6から10まで変動する。これは界面抵抗であるショットキ障壁の高さと空乏層の厚さが、イオン注入量で大きく変化するからである。また、イオン注入の場合と同様に、トンネル障壁層の厚みによってβを調整することができる。 If Q C3 = β × Q C1 , the size of β indicates the asymmetry of the interface resistance. According to the ion implantation, the asymmetry coefficient β varies from 10 −6 to 10 6 . This is because the height of the Schottky barrier, which is the interface resistance, and the thickness of the depletion layer vary greatly with the amount of ion implantation. Similarly to the case of ion implantation, β can be adjusted by the thickness of the tunnel barrier layer.

なお、不純物の添加領域は、(a)ポテンシャル障壁層1S’,1D’が半導体である場合にはその内部領域、(b)ポテンシャル障壁層1S’,1D’と半導体基板1Aとの界面から半導体基板1Aの深部に向かう浅い領域、又は(c)双方(a),(b)の領域である。   The impurity-added region includes (a) an internal region when the potential barrier layers 1S ′ and 1D ′ are semiconductors, and (b) a semiconductor from the interface between the potential barrier layers 1S ′ and 1D ′ and the semiconductor substrate 1A. It is a shallow region toward the deep part of the substrate 1A, or (c) both regions (a) and (b).

半導体基板とポテンシャル障壁層1S’,1D’の界面からは、半導体基板界面との間のポテンシャル障壁を成す領域1S,1Dが半導体基板1A内に広がっている。   From the interface between the semiconductor substrate and the potential barrier layers 1S 'and 1D', regions 1S and 1D forming a potential barrier between the semiconductor substrate interface and the semiconductor substrate 1A extend.

なお、本例では、(b)ポテンシャル障壁層の直下に不純物を添加しているとする。なお、(a)及び(c)の場合には、N,Nはそれぞれの不純物添加領域内の濃度の平均値で与えられるものとする。また、ポテンシャル障壁層1S’,1D’としては、ZnOを採用し、ソース電極2S及びドレイン電極2Dとしてホイスラー合金(CoMnSi:厚さ20nm)を採用した。 In this example, it is assumed that (b) an impurity is added immediately below the potential barrier layer. In the case of (a) and (c), N S, N D is assumed to be given by the average value of the concentration of each of the impurity doped region. Further, ZnO was adopted as the potential barrier layers 1S ′ and 1D ′, and Heusler alloy (Co 2 MnSi: thickness 20 nm) was adopted as the source electrode 2S and the drain electrode 2D.

なお、ポテンシャル障壁層1S’,1D’の厚みは0.2nm〜20nmまで可変させることができるが、本例では、膜質が安定な0.6nm〜10nmである。なお、図7の実施例はZnOの膜厚と不純物ドープ量を両方独立に変化させている。ポテンシャル障壁層1S’,1D’の厚みd、dをソース側とドレイン側で独立に調整することで、QC1≧0.0001,QC3≧0.0001の領域でほぼ制限なく非対称性係数βと界面抵抗を変化させることができる。 The thickness of the potential barrier layers 1S ′ and 1D ′ can be varied from 0.2 nm to 20 nm, but in this example, the film quality is stable from 0.6 nm to 10 nm. In the embodiment of FIG. 7, both the ZnO film thickness and the impurity doping amount are changed independently. By adjusting the thicknesses d 1 and d 2 of the potential barrier layers 1S ′ and 1D ′ independently on the source side and the drain side, the asymmetry is almost unlimited in the region of Q C1 ≧ 0.0001 and Q C3 ≧ 0.0001. The coefficient β and the interface resistance can be changed.

なお、図中のバツ印は、上記MR比の最大値の1%未満のMR比しか得られない場合の界面抵抗QC1,QC3の組み合わせを示している。 The crosses in the figure indicate combinations of the interface resistances Q C1 and Q C3 when only MR ratios less than 1% of the maximum value of the MR ratio can be obtained.

各要素の材料及び寸法としては、以下のものを採用することができる。   As materials and dimensions of each element, the following can be adopted.

(半導体基板1A)   (Semiconductor substrate 1A)

半導体基板1Aの材料としては、SiやGeなどの半導体や、GaAsやInGaAsなどの化合物半導体を用いることができる。半導体基板1Aにおける、ソース電極2Sとドレイン電極2Dとの間の最短距離、すなわち、チャネル長(d)は、0.1μm以上100μm以下とすることが好ましい。このチャネル長(d)は、半導体基板1A内におけるスピン拡散長より短く設定する。本例の半導体基板1Aの材料はSi、チャネル長(d)は3μmとし、基板の抵抗率は1Ω・cmとする。半導体基板1Aの導電型はN型とするが、P型とすることもできる。   As a material of the semiconductor substrate 1A, a semiconductor such as Si or Ge, or a compound semiconductor such as GaAs or InGaAs can be used. In the semiconductor substrate 1A, the shortest distance between the source electrode 2S and the drain electrode 2D, that is, the channel length (d) is preferably 0.1 μm or more and 100 μm or less. This channel length (d) is set shorter than the spin diffusion length in the semiconductor substrate 1A. The material of the semiconductor substrate 1A of this example is Si, the channel length (d) is 3 μm, and the resistivity of the substrate is 1 Ω · cm. The conductivity type of the semiconductor substrate 1A is N-type, but can also be P-type.

(ソース電極2S)
ソース電極2Sの材料としては、Co及びFeなどの遷移金属、CoFeなどの遷移金属合金、CoMnSi、CoMnGe、CoFeAl及びCoFeSiなどのホイスラー合金、FeSiなどの強磁性シリサイド、或いは、CrO、Fe、及び(LaSr)MnOなどのハーフメタルを用いることができる。本例のソース電極2Sの材料はCoMnSi、電極の平面寸法は10μm×0.5μmとする。
(Source electrode 2S)
As the material of the source electrode 2S, transition metals such as Co and Fe, transition metal alloys such as CoFe, Heusler alloys such as Co 2 MnSi, Co 2 MnGe, Co 2 FeAl and Co 2 FeSi, and ferromagnetic such as Fe 3 Si Silicides or half metals such as CrO 2 , Fe 3 O 4 , and (LaSr) MnO 3 can be used. The material of the source electrode 2S in this example is Co 2 MnSi, and the planar dimensions of the electrode are 10 μm × 0.5 μm.

(ドレイン電極2D)
ドレイン電極2Dの材料としては、Co及びFeなどの遷移金属、CoFeなどの遷移金属合金、CoMnSi、CoMnGe、CoFeAl及びCoFeSiなどのホイスラー合金、FeSiなどの強磁性シリサイド、或いは、CrO、Fe、及び(LaSr)MnOなどのハーフメタルを用いることができる。本例のドレイン電極2Dの材料はCoMnSi、電極の平面寸法は10μm×0.5μmとする。すなわち、ドレイン電極2Dには、ソース電極2Sの材料及び寸法と同じものを用いることができる。
(Drain electrode 2D)
The material of the drain electrode 2D includes transition metals such as Co and Fe, transition metal alloys such as CoFe, Heusler alloys such as Co 2 MnSi, Co 2 MnGe, Co 2 FeAl and Co 2 FeSi, and ferromagnetic such as Fe 3 Si. Silicides or half metals such as CrO 2 , Fe 3 O 4 , and (LaSr) MnO 3 can be used. The material of the drain electrode 2D in this example is Co 2 MnSi, and the planar dimension of the electrode is 10 μm × 0.5 μm. That is, the drain electrode 2D can be made of the same material and dimensions as the source electrode 2S.

(ゲート絶縁膜3)   (Gate insulation film 3)

ゲート絶縁膜3としてはSiOを用いることができる。ゲート絶縁膜3として、酸化物絶縁体の他、SiNなどを用いることも可能である。 As the gate insulating film 3, SiO 2 can be used. As the gate insulating film 3, SiN or the like can be used in addition to the oxide insulator.

(ゲート電極4)   (Gate electrode 4)

ゲート電極4の材料は、導電体であれば特に限定されない。ゲート電極4の材料としては、例えば、Au、Ag、Cu、Al、Ni及びシリサイドのいずれか又はこれらの元素を含む合金、AuGeNiなどを用いることができる。   The material of the gate electrode 4 is not particularly limited as long as it is a conductor. As a material of the gate electrode 4, for example, Au, Ag, Cu, Al, Ni, silicide, an alloy containing these elements, AuGeNi, or the like can be used.

(添加不純物)   (Additive impurities)

半導体基板1AをSiとする場合、N型の不純物としてP(リン)を用いることができる。その他の半導体の場合、これに対応する公知の不純物を利用することができる。半導体中の室温におけるキャリア濃度は、不純物濃度に等しいものとする。   When the semiconductor substrate 1A is made of Si, P (phosphorus) can be used as an N-type impurity. In the case of other semiconductors, known impurities corresponding thereto can be used. The carrier concentration at room temperature in the semiconductor is assumed to be equal to the impurity concentration.

(ポテンシャル障壁膜1S’,1D’)   (Potential barrier film 1S ', 1D')

ポテンシャル障壁膜1S’,1D’には、MgO、SiN、Al、HfO、ZnO等の絶縁膜を使用することができる。ZnOは半導体でもあり、N型キャリア濃度が1×1014/cm〜1×1021/cmのものが使用可能であり、必ずしもトンネル伝導でなくてもかまわない。また,TiOやGaNなどの半導体も使用することができる。 For the potential barrier films 1S ′ and 1D ′, insulating films such as MgO, SiN, Al 2 O 3 , HfO 2 , and ZnO can be used. ZnO is also a semiconductor, and an N-type carrier concentration of 1 × 10 14 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3 can be used and does not necessarily have to be tunnel conduction. A semiconductor such as TiO 2 or GaN can also be used.

次に、上述のシミュレーショングラフを得るために用いた導電率整合条件について、詳説しておく。   Next, the conductivity matching conditions used for obtaining the above simulation graph will be described in detail.

まず、説明に用いられるパラメータの定義は以下の通りである。なお、領域内においてパラメータの変動がある場合にはその平均値を以ってパラメータの値とするものとする。
・λ:半導体基板1A内のスピン拡散長
・λ:ソース電極2S及びドレイン電極2D内のスピン拡散長
・d:半導体基板1Aにおけるチャネル長
・R:半導体基板1Aのスピン抵抗
・ρ:半導体基板1Aのチャネル抵抗率
・ρ:ソース電極2S及びドレイン電極2D内のチャネル抵抗率
・S:ソース/ドレイン間のチャネル断面積
・α:一般的にポテンシャル障壁を与える領域内の分極率
・αC1:ソース電極2Sと半導体基板1Aとの間のポテンシャル障壁を与える領域1S内のスピン分極率
・αC3:ドレイン電極2Dと半導体基板1Aとの間のポテンシャル障壁を与える領域1D内のスピン分極率
・σ(up):磁性体内のアップスピン電子の伝導率
・σ(down):磁性体内のダウンスピン電子の伝導率
・σ(up):アップスピン電子のトンネル伝導率
・σ(down):ダウンスピン電子のトンネル伝導率
・α:一般的な磁性体のスピン分極率
・αF1:ソース電極2Sのスピン分極率
・αF3:ドレイン電極2Dのスピン分極率
・Q:Rで規格化された界面抵抗
・QC1:Rで規格化された半導体基板1Aとソース電極2Sとの間の界面抵抗
・QC3:Rで規格化された半導体基板1Aとドレイン電極2Dとの間の界面抵抗
・R:磁性体のスピン抵抗
・RF1:ソース電極2Sのスピン抵抗
・RF3:ドレイン電極2Dのスピン抵抗
・Q:Rで規格化された磁性体のスピン抵抗
・QF1:Rで規格化されたソース電極2Sのスピン抵抗
・QF3:Rで規格化されたドレイン電極2Dのスピン抵抗
・MR:磁気抵抗比(MR比)
・R:障壁を与える領域1S又は1Dを通過する場合の抵抗(トンネル抵抗)
・RC1:領域1Sを通過する場合の抵抗
・RC3:領域1Dを通過する場合の抵抗
First, the definition of parameters used for the explanation is as follows. If there is a parameter variation in the area, the average value is used as the parameter value.
· Lambda N: spin diffusion length in the semiconductor substrate 1A · λ F: spin diffusion length of the source electrode 2S and a drain electrode in the 2D · d: channel length of the semiconductor substrate 1A · R N: Spin-resistance of the semiconductor substrate 1A · [rho N : Channel resistivity of semiconductor substrate 1A, ρ F : channel resistivity in source electrode 2S and drain electrode 2D, S: channel cross-sectional area between source and drain, α C : polarization in a region generally providing a potential barrier Ratio · α C1 : Spin polarizability in the region 1S that provides the potential barrier between the source electrode 2S and the semiconductor substrate 1A • α C3 : In the region 1D that provides the potential barrier between the drain electrode 2D and the semiconductor substrate 1A spin polarization · σ (up): conductivity of the magnetic body of up-spin electrons · σ (down): the magnetic body down-spin electrons conductivity · sigma C Stay up-): tunnel conductivity of up-spin electrons · σ C (down): tunnel conductivity of down-spin electrons · alpha F: spin polarization of a typical magnetic · alpha F1: spin polarization of the source electrode 2S · alpha F3: drain electrodes 2D of the spin polarization · Q C: R N interfacial resistance, normalized by Q C1: interfacial resistance · Q between the standardized semiconductor substrate 1A and the source electrode 2S in R N C3: interface resistance · R F between the standardized semiconductor substrate 1A and the drain electrode 2D with R N: spin resistance of the magnetic material · R F1: source electrode 2S of the spin resistance · R F3: spin resistance of the drain electrode 2D · Q F: R N-spin resistance of standardized magnetic body Q F1: R N spin resistance-of the source electrode 2S standardized by Q F3: spin resistance, the R N with standardized drain electrode 2D R: magnetoresistance ratio (MR ratio)
R C : Resistance when passing through the region 1S or 1D that provides the barrier (tunnel resistance)
R C1 : Resistance when passing through the region 1S R C3 : Resistance when passing through the region 1D

なお、スピン抵抗とはスピン拡散長あたりの抵抗を1−α で割ったものである。 Note that the spin resistance is a resistance per spin diffusion length divided by 1-α F 2 .

また、後述の説明では、以下の数式を参照する。
In the following description, the following mathematical expressions are referred to.

式(2)〜(12)で与えられるスピン拡散理論モデルを、2つの界面で抵抗が異なる場合に適用する。なお、式(4)における抵抗率ρは、デバイスを形成した後の半導体基板1Aのソース/ドレイン間の微分抵抗で与えられる。これらから得られる式(13)及び式(14)で示されるΔRは、ドレイン電極の磁化反転による抵抗変化の大きさを示している。この式では、スピン注入に関するパラメータと、スピン取り出し側のパラメータとが対称に現れている。スピン注入側の抵抗はスピン流をチャネルに導くため、高い方が大きなΔRを得ることができる。スピンの取り出し側は磁化の向きが、反平行時にスピン流を遮断するため、高い抵抗の方が大きなΔRを得ることができる。 The spin diffusion theoretical model given by the equations (2) to (12) is applied when the resistances at the two interfaces are different. Note that the resistivity ρ N in the equation (4) is given by the differential resistance between the source and drain of the semiconductor substrate 1A after the device is formed. ΔR obtained from these equations (13) and (14) represents the magnitude of resistance change due to magnetization reversal of the drain electrode. In this equation, the parameters related to spin injection and the parameters on the spin take-out side appear symmetrically. Since the resistance on the spin injection side guides the spin current to the channel, a higher ΔR can be obtained. On the spin extraction side, the spin direction is interrupted when the magnetization direction is antiparallel, so that a higher ΔR can be obtained with a higher resistance.

このような抵抗変化は、磁化の向きの平行時と反平行時のスピン蓄積の差によることを考慮すれば、スピンの注入側はなるべくスピン流を流して蓄積をさせまいとし、取り出し側はスピン流を遮断して蓄積させようとしているという役割を担っており、これが結果的に大きな抵抗変化を生み出していると考えられる。   Considering that the change in resistance is due to the difference in spin accumulation between parallel and antiparallel magnetization directions, the spin injection side should not be accumulated by flowing a spin current as much as possible, and the extraction side should be spin-free. It plays a role of blocking and accumulating the flow, and this is thought to have produced a large resistance change as a result.

式(1)は、式(13)及び(14)で与えられている抵抗変化ΔRを、式(15)の分母で示される基準抵抗で割って、抵抗変化率(MR比)としたものである。トンネル磁気抵抗素子では、一般に、電極間の抵抗でMR比を規格化しているが、ここではチャネル抵抗を無視して界面抵抗を基準として規格化している。これは式の対称性をよくし、本質が読み取りやすいというメリット故であるが、実際の素子のチャネル長はスピン拡散長の数分の一以下であるという自明の条件から、実際の素子では界面抵抗で規格化しても整合条件はほとんど変わらない。MR比の最大値が得られる場合、上述の導電率整合条件が満たされる。   Equation (1) is obtained by dividing the resistance change ΔR given by Equations (13) and (14) by the reference resistance indicated by the denominator of Equation (15) to obtain the resistance change rate (MR ratio). is there. In the tunnel magnetoresistive element, the MR ratio is generally normalized by the resistance between the electrodes, but here, the channel resistance is ignored and the interface resistance is normalized. This is because of the merit of improving the symmetry of the formula and making the essence easy to read, but the actual device channel length is less than a fraction of the spin diffusion length. Even if standardized by resistance, the matching condition is almost the same. When the maximum value of MR ratio is obtained, the above-described conductivity matching condition is satisfied.

すなわち、式(1)MR比を満たすQC1及びQC3が、QC1=QC3の場合にMR比が最大(=100%)となるが、本発明は図7に示したように、MR比が最大値の1%以上を満たし、好ましくは10%以上を満たしている。スピンMOSFETにおけるソース電極2Sと半導体基板1Aの界面抵抗QC1と、ドレイン電極2Dと半導体基板1Aの界面抵抗QC3は本来異なっているが、上述のようにトンネル障壁層の厚みをドレイン側で厚くすることにより、ドレインにおける界面抵抗を大きくし、これらの界面抵抗を等しくすることができる。すなわち、QC1=QC3の場合にスピンデバイスの電気的な対称性が確保され、MR比が高くなる。QC1がQC3に一致していない場合もMR比の向上効果はあるため、QC1=QC3の場合のMR比の1%以上、好ましく10%以上を満たすようにQC1とQC3の関係が設定されていればMR比の向上効果がある。 That is, when Q C1 and Q C3 satisfying the formula (1) MR ratio are Q C1 = Q C3 , the MR ratio is maximum (= 100%). However, as shown in FIG. The ratio satisfies 1% or more of the maximum value, preferably 10% or more. The interfacial resistance Q C1 of the source electrode 2S and the semiconductor substrate 1A in the spin MOSFET, but the interface resistance Q C3 of the drain electrode 2D and the semiconductor substrate 1A are different nature, thicker at the drain side the thickness of the tunnel barrier layer, as described above By doing so, the interface resistance in a drain can be enlarged and these interface resistances can be made equal. That is, when Q C1 = Q C3 , the electrical symmetry of the spin device is ensured and the MR ratio is increased. Since Q C1 improvement effect of the MR ratio when they do not coincide in Q C3 is, Q C1 = Q 1% or more of the MR ratio in the case of C3, the Q C1 and Q C3 to preferably satisfy 10% or more If the relationship is set, the MR ratio can be improved.

換言すれば、ソース側の界面抵抗(=R/2)=半導体基板内のスピン抵抗(=2λρ/S)=ドレイン側の界面抵抗(=R/2)の場合に、導電率が整合する。なお、QC3=β×QC1とすると、この直線の関数が双曲線QC1×QC3=1の値を満たす場合にMR比が極大値をとる。この双曲線上ではQC1=QC3の場合にMR比が極大となる。 In other words, when the interface resistance on the source side (= R N / 2) = spin resistance in the semiconductor substrate (= 2λ N ρ N / S) = the interface resistance on the drain side (= R N / 2) The rate is consistent. When Q C3 = β × Q C1 , the MR ratio takes a maximum value when the function of this straight line satisfies the value of the hyperbola Q C1 × Q C3 = 1. On this hyperbola, the MR ratio is maximized when Q C1 = Q C3 .

図8は、非対称係数βが0.01〜100の場合に界面抵抗QC1を変化させたときのMR比のグラフである。図9は、図8に示したグラフを対数表示したグラフである。なお、ここでは、MR=MR/(4×αC1×αC3)としている。d/λ=0.3である。すなわち、チャネル長はスピン拡散長の30%としている。βが10及び100ように、非対称性が高い場合には、MR比の極大値は小さくなっている。QC1=β−0.5の場合に、MR比は極大となる。この場合、QC3=β0.5となり、β=1のときにMR比の最大値が得られる。 FIG. 8 is a graph of the MR ratio when the interface resistance Q C1 is changed when the asymmetry coefficient β is 0.01 to 100. FIG. 9 is a graph obtained by logarithmically displaying the graph shown in FIG. Here, MR * = MR / (4 × α C1 × α C3 ). d / λ N = 0.3. That is, the channel length is 30% of the spin diffusion length. When β is 10 and 100 and the asymmetry is high, the maximum value of the MR ratio is small. When Q C1 = β −0.5 , the MR ratio is maximized. In this case, Q C3 = β 0.5 , and the maximum value of the MR ratio is obtained when β = 1.

図10は、d/λが0.1〜10の場合に、非対称係数βを変化させたときのMR比のグラフである。 10, when d / lambda N is 0.1 to 10, a graph of the MR ratio when changing the asymmetry factor beta.

β=1のときにMR比の極大値が得られており、チャネル長dは短いほど大きなMR比が得られることが分かる。MR比のグラフから見るに、非対称性係数βは実用的使用できる範囲は0.01≦β≦100に限定され、好ましくは0.1≦β≦10の範囲であることが分かる。   It can be seen that the maximum value of the MR ratio is obtained when β = 1, and that the larger the MR ratio is, the shorter the channel length d is. From the graph of MR ratio, it can be seen that the range in which the asymmetry coefficient β can be practically used is limited to 0.01 ≦ β ≦ 100, and preferably 0.1 ≦ β ≦ 10.

図11は、ソース/ドレイン間の抵抗R(Ω)とMR比の具体的一例を示すグラフであり、これは、ρ=1Ωcm、S=10μm×0.5μm=5μm、λ=10μm、R=40kΩ、d=3μm、αC1=αC3=0.4(材料:CoFe)のグラフである。MR比は界面抵抗Rで規格化している。図5の構造において、半導体基板1AはN型とし、ソース電極2Sの直下の半導体基板内に不純物としてP(リン)をδドープでイオン注入し、ドレイン電極2Dの直下の半導体基板内にもP(リン)をδドープでイオン注入し、活性化させた場合を示している。本例のソース側の不純物濃度NS,ドレイン側の不純物濃度Nは共に1×1020/cmである。 FIG. 11 is a graph showing a specific example of the source / drain resistance R (Ω) and the MR ratio, which are ρ N = 1 Ωcm, S = 10 μm × 0.5 μm = 5 μm 2 , λ N = 10 μm. , R N = 40 kΩ, d = 3 μm, α C1 = α C3 = 0.4 (material: CoFe). The MR ratio is normalized by the interface resistance RC . In the structure of FIG. 5, the semiconductor substrate 1A is N-type, P (phosphorus) as an impurity is ion-implanted into the semiconductor substrate immediately below the source electrode 2S by δ doping, and P is also injected into the semiconductor substrate immediately below the drain electrode 2D. In this example, (phosphorus) is ion-implanted with δ-doping and activated. Impurity concentration N D of the source-side impurity concentration N S, the drain side of this embodiment are both 1 × 10 20 / cm 3.

各電極2S,2Dと半導体基板1Aとの間の界面抵抗は、ポテンシャル障壁層のトンネル抵抗が支配している。ポテンシャル障壁層1S’,1D’はSiNからなり、厚さはそれぞれ0.1nm〜2nmとすることができる。なお、トンネル障壁層の厚みd、dはそれぞれ5nm、6nmであり、絶縁層の厚みd、dは、それぞれ0.3nm、1.5nmである。この場合、βは略1となる。同図では、βの値を変えた場合も示している。 The interface resistance between each electrode 2S, 2D and the semiconductor substrate 1A is governed by the tunnel resistance of the potential barrier layer. The potential barrier layers 1S ′ and 1D ′ are made of SiN and can have thicknesses of 0.1 nm to 2 nm, respectively. Note that the thicknesses d S and d D of the tunnel barrier layer are 5 nm and 6 nm, respectively, and the thicknesses d 1 and d 2 of the insulating layer are 0.3 nm and 1.5 nm, respectively. In this case, β is approximately 1. The figure also shows the case where the value of β is changed.

図12は、図11の条件の非対称性係数βとMR比を示すグラフである。   FIG. 12 is a graph showing the asymmetry coefficient β and the MR ratio under the conditions of FIG.

これは、ρ=1Ωcm、S=10μm×0.5μm=5μm、R=40kΩ、αC1=αC3=0.4(材料:CoFe)のグラフである。MR比は界面抵抗Rで規格化している。Rcはソースとドレインの界面抵抗の和であり、絶縁膜とショットキーバリアのトンネル抵抗からなる。λ=10μm、d=3μmの場合には、d/λ=0.3となるが、同図ではd/λの値を変えた場合も示している。その他の条件は図11と同一である。 This is a graph of ρ N = 1 Ωcm, S = 10 μm × 0.5 μm = 5 μm 2 , R N = 40 kΩ, α C1 = α C3 = 0.4 (material: CoFe). The MR ratio is normalized by the interface resistance RC . Rc is the sum of the interface resistances of the source and drain, and consists of the tunnel resistance of the insulating film and the Schottky barrier. In the case of λ N = 10 μm and d = 3 μm, d / λ N = 0.3, but this figure also shows the case where the value of d / λ N is changed. Other conditions are the same as in FIG.

次に、第2実施形態のFETについて説明する。   Next, the FET of the second embodiment will be described.

図13の(a)は、第2実施形態のFETの各要素を模式化したFETの図であり、図13(b)は、図13(a)に示した要素の各位置におけるエネルギーを示すエネルギーバンド図である。   FIG. 13A is a diagram schematically illustrating each element of the FET according to the second embodiment, and FIG. 13B illustrates energy at each position of the element illustrated in FIG. It is an energy band figure.

図13は、図6に示したソース側の絶縁層を省略した構成を示しており、その他の構造は、図6に示したものと同一である。もちろん、本実施形態のFETにおいても、上述のd<dの関係は満たされている。また、本例の場合、上述の厚みd=0と考えれば、d<dの関係も満たされている。 FIG. 13 shows a configuration in which the source-side insulating layer shown in FIG. 6 is omitted, and the other structure is the same as that shown in FIG. Of course, also in the FET of this embodiment, the above-described relationship of d S <d D is satisfied. In the case of this example, if the above-mentioned thickness d 1 = 0 is considered, the relationship d 1 <d 2 is also satisfied.

ソース電極2Sから注入された偏極スピンは、絶縁層を含まないポテンシャル障壁1Sをトンネルして、半導体基板1A内に流入する。また、この偏極スピンは、ポテンシャル障壁層1D’を含むポテンシャル障壁1Dをトンネルして、ドレイン電極2Dから取り出される。かかる点を除いて、第2実施形態のFETの動作は、第1実施形態と同一である。すなわち、ソース側のショットキ界面抵抗がすでにチャネルのスピン抵抗の値に近いとき、ソース側のトンネル膜挿入は省略することもできる。   The polarized spin injected from the source electrode 2S tunnels through the potential barrier 1S not including the insulating layer and flows into the semiconductor substrate 1A. The polarized spin is taken out from the drain electrode 2D through the potential barrier 1D including the potential barrier layer 1D '. Except for this point, the operation of the FET of the second embodiment is the same as that of the first embodiment. That is, when the source-side Schottky interface resistance is already close to the value of the channel spin resistance, insertion of the source-side tunnel film can be omitted.

なお、上記では、ゲート絶縁膜を用いたスピンMOSFETを示したが、ゲート絶縁膜を除いた接合型FET(JFET)などにも適用することが可能である。すなわち、本発明の半導体スピンデバイスとしては、スピン伝導が行われるものであれば、TMR素子などの磁気ヘッド素子やスピンMOSFET、スピン接合型FETが考えられる。上述のスピンFETは、ソースとドレインの間のMR比を高めることができるので、MRAMなどに利用した場合には、データの読み出し精度を向上させることができる。また、FETにおいてソース側のみに絶縁層を設けることも可能である。   In the above description, the spin MOSFET using the gate insulating film is shown, but the present invention can also be applied to a junction FET (JFET) or the like excluding the gate insulating film. That is, as the semiconductor spin device of the present invention, a magnetic head element such as a TMR element, a spin MOSFET, or a spin junction FET can be considered as long as spin conduction is performed. Since the above-described spin FET can increase the MR ratio between the source and the drain, when used in an MRAM or the like, the data read accuracy can be improved. It is also possible to provide an insulating layer only on the source side in the FET.

第1実施形態に係るスピンMOSFETの平面図である。1 is a plan view of a spin MOSFET according to a first embodiment. 図1に示したスピンMOSFETのII−II矢印線断面図である。It is the II-II arrow sectional view taken on the line of the spin MOSFET shown in FIG. (a)各要素を模式化したFETの図であり、(b)は(a)に示した要素の各位置におけるエネルギーを示すエネルギーバンド図である。(A) It is the figure of FET which each element was modeled, (b) is an energy band figure which shows the energy in each position of the element shown to (a). 第2実施形態に係るスピンMOSFETの平面図である。It is a top view of spin MOSFET concerning a 2nd embodiment. 図5に示したスピンMOSFETのVI−VI矢印線断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line VI-VI of the spin MOSFET shown in FIG. 5. (a)各要素を模式化したFETの図であり、(b)は(a)に示した要素の各位置におけるエネルギーを示すエネルギーバンド図である。(A) It is the figure of FET which each element was modeled, (b) is an energy band figure which shows the energy in each position of the element shown to (a). ソース電極2Sと半導体基板1Aとの間の規格化された界面抵抗QC1と、ドレイン電極2Dと半導体基板1Aとの間の規格化された界面抵抗QC3とによって得られるMR比の分布を示すグラフである。Shows the normalized interface resistance Q C1 between the source electrode 2S and the semiconductor substrate 1A, the distribution of the MR ratio obtained by the normalized interface resistance Q C3 between the drain electrode 2D and the semiconductor substrate 1A It is a graph. 非対称係数βが0.01〜100の場合に界面抵抗QC1を変化させたときのMR比のグラフである。Asymmetry factor β is a graph of the MR ratio when changing the interfacial resistance Q C1 in the case of 0.01. 図9に示したグラフを対数表示したグラフである。10 is a logarithmic display of the graph shown in FIG. d/λが0.1〜10の場合に、非対称係数βを変化させたときのMR比のグラフである。If d / lambda N is 0.1 to 10, a graph of the MR ratio when changing the asymmetry factor beta. ソース/ドレイン間の抵抗R(Ω)とMR比の具体的一例を示すグラフである。It is a graph which shows a specific example of resistance R (ohm) between source / drain, and MR ratio. 図12の条件の非対称性係数βとMR比を示すグラフである。13 is a graph showing the asymmetry coefficient β and the MR ratio under the conditions of FIG. (a)各要素を模式化したFETの図であり、(b)は(a)に示した要素の各位置におけるエネルギーを示すエネルギーバンド図である。(A) It is the figure of FET which each element was modeled, (b) is an energy band figure which shows the energy in each position of the element shown to (a).

符号の説明Explanation of symbols

1A・・・半導体基板、2S・・・ソース電極、4・・・ドレイン電極、2D・・・ドレイン電極。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1A ... Semiconductor substrate, 2S ... Source electrode, 4 ... Drain electrode, 2D ... Drain electrode.

Claims (4)

固定層からなる第1電極と、
フリー層からなる第2電極と、
前記第1及び第2電極が設けられた半導体領域と、
を備え、
前記第1電極と前記半導体領域との間に介在する第1トンネル障壁層の厚みdと、前記第2電極と前記半導体領域との間に介在する第2トンネル障壁層の厚みdは、以下の関係式:
<d
を満たすことを特徴とする半導体スピンデバイス。
A first electrode comprising a fixed layer;
A second electrode comprising a free layer;
A semiconductor region provided with the first and second electrodes;
With
The thickness d S of the first tunnel barrier layer interposed between the first electrode and the semiconductor region, and the thickness d D of the second tunnel barrier layer interposed between the second electrode and the semiconductor region are: The following relation:
d S <d D
A semiconductor spin device characterized by satisfying
前記第1トンネル障壁層は第1絶縁層を有しており、
前記第2トンネル障壁層は第2絶縁層を有しており、
前記第1絶縁層の厚みdと、第2絶縁層の厚みdは、以下の関係式:
<d
を満たすことを特徴とする請求項1に記載の半導体スピンデバイス。
The first tunnel barrier layer has a first insulating layer;
The second tunnel barrier layer has a second insulating layer;
The thickness d 1 of the first insulating layer and the thickness d 2 of the second insulating layer are expressed by the following relational expression:
d 1 <d 2
The semiconductor spin device according to claim 1, wherein:
前記第1トンネル障壁層は前記半導体領域よりも広いエネルギーバンドギャップを有する第1半導体層を有しており、
前記第2トンネル障壁層は前記半導体領域よりも広いエネルギーバンドギャップを有する第2半導体層を有しており、
前記第1半導体層の厚みdと、前記第2半導体層の厚みdは、以下の関係式:
<d
を満たすことを特徴とする請求項1に記載の半導体スピンデバイス。
The first tunnel barrier layer includes a first semiconductor layer having an energy band gap wider than that of the semiconductor region;
The second tunnel barrier layer includes a second semiconductor layer having an energy band gap wider than that of the semiconductor region;
Wherein the thickness d 1 of the first semiconductor layer, the thickness d 2 of the second semiconductor layer, the following relationship:
d 1 <d 2
The semiconductor spin device according to claim 1, wherein:
請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体スピンデバイスを有するスピンFETにおいて、
前記第1電極をソース電極とし、
前記第2電極をドレイン電極とし、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記半導体領域のポテンシャルを制御するゲート電極を備えることを特徴とするスピンFET。
In the spin FET having the semiconductor spin device according to any one of claims 1 to 3,
The first electrode as a source electrode;
The second electrode is a drain electrode,
A spin FET comprising a gate electrode for controlling a potential of the semiconductor region between the source electrode and the drain electrode.
JP2008041962A 2008-02-22 2008-02-22 Semiconductor spin device and spin fet Pending JP2009200351A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008041962A JP2009200351A (en) 2008-02-22 2008-02-22 Semiconductor spin device and spin fet

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008041962A JP2009200351A (en) 2008-02-22 2008-02-22 Semiconductor spin device and spin fet

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2009200351A true JP2009200351A (en) 2009-09-03

Family

ID=41143518

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008041962A Pending JP2009200351A (en) 2008-02-22 2008-02-22 Semiconductor spin device and spin fet

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2009200351A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010225885A (en) * 2009-03-24 2010-10-07 Toshiba Corp Spin transistor, configurable logic circuit including the same, and magnetic memory
JP5443502B2 (en) * 2009-09-18 2014-03-19 株式会社東芝 Semiconductor device and manufacturing method thereof

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004079827A1 (en) * 2003-03-07 2004-09-16 Japan Science And Technology Agency Field-effect transistor with spin-dependent transmission characteristic and nonvolatile memory using same
JP2004531881A (en) * 2001-03-20 2004-10-14 インフィネオン テクノロジーズ アクチェンゲゼルシャフト Semiconductor device with semiconductor contact
JP2007194300A (en) * 2006-01-17 2007-08-02 Toshiba Corp Spin fet and spin memory

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004531881A (en) * 2001-03-20 2004-10-14 インフィネオン テクノロジーズ アクチェンゲゼルシャフト Semiconductor device with semiconductor contact
WO2004079827A1 (en) * 2003-03-07 2004-09-16 Japan Science And Technology Agency Field-effect transistor with spin-dependent transmission characteristic and nonvolatile memory using same
JP2007194300A (en) * 2006-01-17 2007-08-02 Toshiba Corp Spin fet and spin memory

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JPN6013011729; Z. G. Yu, 外1名: 'Electric-field dependent spin diffusion and spin injection into semiconductors' Physical Review B Vol. 66, 20021114, p. 201202-1〜201202-4 *
JPN6013011731; S.F. Alvarado: 'Tunneling Potential Barrier Dependence of Electron Spin Polarization' Physical Review Letters Vol. 75, No. 3, 19950717, p. 513〜516 *
JPN6013011733; S. A. Crooker, 外6名: 'Imaging Spin Transport in Lateral Ferromagnet/Semiconductor Structures' Science Vol. 309, 20050930, p.2191〜2195& Supporting online material *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010225885A (en) * 2009-03-24 2010-10-07 Toshiba Corp Spin transistor, configurable logic circuit including the same, and magnetic memory
JP5443502B2 (en) * 2009-09-18 2014-03-19 株式会社東芝 Semiconductor device and manufacturing method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11417834B2 (en) Apparatus for spin injection enhancement and method of making the same
JP5940235B1 (en) Semiconductor device
KR101283934B1 (en) Complementary logic device using spin injection
JP4058344B2 (en) Semiconductor device with semiconductor contact
WO2017047286A1 (en) Semiconductor device
US7777257B2 (en) Bipolar Schottky diode and method
Rha et al. The Electrical Properties of Asymmetric Schottky Contact Thin-Film Transistors with Amorphous-$\hbox {In} _ {2}\hbox {Ga} _ {2}\hbox {ZnO} _ {7} $
Saito et al. Spin injection, transport, and read/write operation in spin-based MOSFET
US20150311305A1 (en) Spin mosfet
TWI524509B (en) Integrated field effect transistors with high voltage drain sensing
Kohda et al. Bias voltage dependence of the electron spin injection studied in a three-terminal device based on a (Ga, Mn) As∕ n+-GaAs Esaki diode
Chaney et al. Gallium nitride tunneling field-effect transistors exploiting polarization fields
JP5260810B1 (en) Rectifying device, transistor and rectifying method
JP4532536B2 (en) Semiconductor device
KR101753342B1 (en) Spin control electronic device operable at room temperature
JP2009200351A (en) Semiconductor spin device and spin fet
JP5303930B2 (en) Semiconductor spin device and spin FET
Kharadi et al. Silicene-based spin filter with high spin-polarization
US10985311B2 (en) Semiconductor element, magnetoresistance effect element, magnetic sensor and spin transistor
Van Roy et al. Spin‐injection in semiconductors: materials challenges and device aspects
US20080157062A1 (en) Spin transistor
JP5092626B2 (en) Spin transistor
JP2013012554A (en) Semiconductor device
JP2023077208A (en) Spin MOSFET
JP2000077648A (en) Function element

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Effective date: 20100922

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

A131 Notification of reasons for refusal

Effective date: 20130312

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

A02 Decision of refusal

Effective date: 20130806

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02