JP2009544172A - スピントロニクストランジスタ - Google Patents
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Abstract
Description
(i) ゲートの仕事関数=4.8eV;
(ii) 誘電層120の電気的厚さ=15Å(つまり具体的な材料は選択されていない。物理的な厚さは材料に依存し、かつ15ÅのSiO2と同一のキャパシタンスを与えるように選ばれた)
(iii) 10nmの緩和Si1-xGex(ドーピングされていない);
(iv) 10nmの歪みSi(ドーピングされていない);
(v) 50nmの緩和Si1-xGex(n型ドーピングで濃度は1017cm-3);
(vi) 1000nmの緩和Si1-xGex(n型ドーピングで濃度は1016cm-3);及び
(vii) バルクSi(n型ドーピングで濃度は1016cm-3)
層(v)及び(vi)は、バルクとの格子不整合を起こす代わりに緩和するのに十分な厚さに選ばれる。よって層(v)及び(vi)はSi1-xGexを形成する。それによって薄いSi層は上部で歪む。歪み層は量子井戸チャネルを形成する。層(vi)は、歪みチャネル、つまり層(iv)を変調ドープさせるのに用いられる。このことは、伝導性チャネルを有すると同時にイオン化した不純物の散乱よるスピン緩和が制限されることを助ける。
・強磁性ソース内でのスピン依存化学ポテンシャル
・バリア高さ(つまりバリアは長方形であると仮定している)
・スピン上向きのキャリアとスピン下向きのキャリアには同一種類のバリアが見える(つまりスピン上向きのキャリアとスピン下向きのキャリアはいずれも、バリアの他の側に位置する半導体中で伝播状態となる)
・材料の電子構造に係るパラメータ-たとえば有効質量(つまり有効質量は一貫して一定であると仮定されて良い)、及び
・幾何学的パラメータ
以降では現実的なパラメータについては、効率的なスピン注入条件が満たされうることを示す。たとえばその条件は、トンネルバリアを設計するための厳格な不等式を示すために強化される。その不等式とは、
10 rN(lN/λN) << rc << 0.1(λN/lN) (1)
である。
である。ここでeは電子の電荷で、μは電子の移動度である。
rN ON=λN/σN≒10-8Ω・cm2 (3)
である。不等式(1)は、
0.3rN on < rc < 3.33rN on (4)
と書き直すことができる。
rc〜10-8Ω・cm2=rN (8)
が得られる。この式は不等式(4)での条件を満たす。本明細書で用いられている典型的な値からのチャネル伝導率のばらつきは容易に適合可能である。その一方でバリア厚さをわずかに調節することによって効率的なスピン注入が維持される。バリアコンタクト抵抗はバリア厚さに対して指数関数的に依存するためである。
10[rN on(lN/λN)] < rc < 0.1[rN on(λN/lN)] (9)(ON状態について)、及び
10[rN off(lN/λN)] < rc < 0.1[rN off(λN/lN)] (10)(OFF状態について)、
となる。
Claims (21)
- シリコンを含む基板;
該基板上に形成されるチャネル領域;
前記基板上であって前記チャネル領域の第1側部に形成され、かつ前記チャネル領域へスピン偏極電流を拡散させるように備えられているスピンインジェクタ;
前記基板上であって前記チャネル領域の第2側部に形成され、かつ前記チャネル領域から前記スピン偏極電流を受けるように備えられているスピン検出器;及び
前記基板上であって前記チャネル領域の領域内に形成されるゲート;
を有する半導体デバイス。 - 前記スピンインジェクタは、強磁性材料及び該強磁性材料と前記基板との間に設けられる誘電材料を有する、請求項1に記載の半導体デバイス。
- 前記スピン検出器は、強磁性材料及び該強磁性材料と前記基板との間に設けられる誘電材料を有する、請求項1に記載の半導体デバイス。
- 前記チャネル領域はヘテロ構造チャネルを有する、請求項1に記載の半導体デバイス。
- 前記チャネル領域は、SiGe/Siヘテロ接合を形成するため、疑似基板上に形成された歪みシリコン層を有する、請求項4に記載の半導体デバイス。
- 前記チャネル領域はレトログレードドーピング構造を有する、請求項1に記載の半導体デバイス。
- 前記基板は、シリコン、部分的に空乏化したシリコン・オン・インシュレータ、完全に空乏化したシリコン・オン・インシュレータ、若しくは疑似シリコンゲルマニウム、又はこれら2つ以上の混合物を有する、請求項1に記載の半導体デバイス。
- 前記ゲートは、ゲート電極材料及び該ゲート電極材料と前記基板との間に設けられた誘電材料を有し、
前記ゲート電極材料は多結晶シリコン及び金属のうちの1つであり、かつ
前記誘電材料は、二酸化シリコン、シリコン酸窒化物、及びhigh-k誘電材料のうちの1つである、
請求項1に記載の半導体デバイス。 - 前記スピンインジェクタ及び前記寸ピン検出器は強磁性金属を有する、請求項1に記載の半導体デバイス。
- 前記スピンインジェクタ及び前記寸ピン検出器はそれぞれ強磁性半導体を有する、請求項1に記載の半導体デバイス。
- 前記スピンインジェクタ及び前記寸ピン検出器のうちの少なくとも1つに係る強磁性金属はCoを含む、請求項9に記載の半導体デバイス。
- 前記強磁性材料はCoで構成される、請求項11に記載の半導体デバイス。
- 前記スピンインジェクタは固定された磁化構造を有し、
前記スピン検出器は切り換え可能な磁化構造を有し、かつ
前記スピン検出器の磁化が前記スピンインジェクタの磁化と平行であるときには、前記スピン偏極電流は前記スピンインジェクタから前記スピン検出器へ流れる、
請求項1に記載の半導体デバイス。 - 前記スピン検出器の磁化が前記スピンインジェクタの磁化と反平行であるときには、前記スピン偏極電流は前記スピンインジェクタから前記スピン検出器へ流れない、請求項1に記載の半導体デバイス。
- 前記スピンインジェクタ又は前記スピン検出器のうちの少なくとも1つは、前記基板内に形成された各対応する溝中に含まれる、請求項1に記載の半導体デバイス。
- 前記スピンインジェクタ又は前記スピン検出器のうちの少なくとも1つは、前記基板の上で少なくとも部分的に延びるように隆起する、請求項1に記載の半導体デバイス。
- 前記スピンインジェクタ又は前記スピン検出器のうちの少なくとも1つは:
前記基板上に形成される空乏化したn++半導体層;
該空乏化したn++半導体層上に形成される誘電層;及び
該誘電層上に形成される強磁性層;
を有する、
請求項1に記載の半導体デバイス。 - 前記スピン検出器は、該スピン検出器の磁化方向を切り換えるように備えられた切り換え機構を有する、請求項13に記載の半導体デバイス。
- 前記スピンインジェクタは、スピン注入を最大にするように備えられたトンネルバリアを有し、
lNは非磁性半導体領域でのチャネル長、λNは非磁性半導体領域中でのスピン拡散長、rNは前記チャネル領域の実効抵抗、rcは前記トンネルバリアのトンネル抵抗で、かつrcが前記トンネルバリアの厚さに伴って変化する場合において、
前記トンネルバリアは、rN(lN/λN)<<rc<<rN(λN/lN)を満たすように選ばれる、
請求項1に記載の半導体デバイス。 - 前記誘電材料は、二酸化シリコン、シリコン酸窒化物、及びhigh-k誘電材料を有する、請求項2に記載の半導体デバイス。
- 電荷トランジスタ及びスピントランジスタとして機能するように備えられる半導体デバイスであって、
前記ゲートへ印加される電圧が高く、かつ前記スピンインジェクタの磁化と前記スピン検出器の磁化とが平行である場合には、前記チャネル領域は大きなスピン偏極電流を通し、
前記ゲートへ印加される電圧が高く、かつ前記スピンインジェクタの磁化と前記スピン検出器の磁化とが反平行である場合には、前記チャネル領域はわずかな電流しか通さず、かつ
前記ゲートへ印加される電圧が低く、かつ前記スピンインジェクタの磁化と前記スピン検出器の磁化とが反平行である場合には、前記チャネル領域はわずかな電流しか通さない、
請求項1に記載の半導体デバイス。
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