JP2011082388A - Spintronics device, and logical operation element - Google Patents

Spintronics device, and logical operation element Download PDF

Info

Publication number
JP2011082388A
JP2011082388A JP2009234395A JP2009234395A JP2011082388A JP 2011082388 A JP2011082388 A JP 2011082388A JP 2009234395 A JP2009234395 A JP 2009234395A JP 2009234395 A JP2009234395 A JP 2009234395A JP 2011082388 A JP2011082388 A JP 2011082388A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
spin
spin current
main electrode
generation region
current generation
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.)
Granted
Application number
JP2009234395A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5551912B2 (en
Inventor
Masamichi Sakai
政道 酒井
Osamu Nakamura
修 中村
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.)
Casio Computer Co Ltd
Saitama University NUC
Original Assignee
Casio Computer Co Ltd
Saitama University NUC
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 Casio Computer Co Ltd, Saitama University NUC filed Critical Casio Computer Co Ltd
Priority to JP2009234395A priority Critical patent/JP5551912B2/en
Publication of JP2011082388A publication Critical patent/JP2011082388A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5551912B2 publication Critical patent/JP5551912B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spintronics device high in charge current to spin current conversion efficiency, and capable of providing a high-intensity spin current. <P>SOLUTION: This spintronics device includes: a spin current generation region 30 having a first end face and a second end face facing each other, and formed of a nonmagnetic bipolar conductive metal wherein a hole and an electron have carrier densities and mobilities at comparable levels, and a hole coefficient is zero; a first main electrode 20 arranged on the first end face and formed of a ferromagnetic material for injecting spin-polarized holes into the spin current generation region 30; and a second main electrode 40 arranged on the second end face for injecting electrons into the spin current generation region 30. Holes and electrons are made to be transported in the same direction by Lorentz force, and charge of the holes and that of the electrons are neutralized with each other to provide the spin current. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、スピン流を用いたスピントロニクス装置、及びこのスピントロニクス装置を用いた論理演算素子に関する。   The present invention relates to a spintronic device using a spin current and a logical operation element using the spintronic device.

電子のスピンは、スピノール空間において「上向き」又は「下向き」の2つの値のみをもつ。多くの個別のスピンは、すべて上向き又は下向きになり、材料が磁性をもつ原因になる。近年、電子のスピンの特性を活用して生まれるスピン依存伝導現象の理解が進み、電子がもっている電荷を活用した半導体装置に代わり、電子スピンの性質を積極的に利用したスピントロニクス装置の開発が急速に進んでいる(特許文献1参照。)。従来の半導体装置の特性が電荷の通路又は格納によって決まるのに対して、スピントロニクス装置はそれに付属するスピンの量子力学特性によって決まる。特に、情報を大容量で高速に処理することができるスピントロニクス装置などが開発のターゲットとなっている。又、最近では、漏れ磁場や熱・エネルギー損失の問題を低減できることから、伝導電子スピンと局在電子スピンの間に働くスピントルクを利用するスピントロニクス装置が注目され、外部磁場を用いない磁化方向制御技術が確立されつつある。   The spin of electrons has only two values “upward” or “downward” in the spinor space. Many individual spins are all upward or downward, causing the material to be magnetic. In recent years, understanding of spin-dependent conduction phenomena born by utilizing the characteristics of electron spin has progressed, and the development of spintronics devices that actively utilize the properties of electron spins has been rapidly developed in place of semiconductor devices that utilize the charge possessed by electrons. (See Patent Document 1). While the characteristics of conventional semiconductor devices are determined by the path or storage of charge, spintronic devices are determined by the quantum mechanical properties of the spins attached to them. In particular, spintronics devices that can process information with a large capacity and high speed have become targets for development. Recently, since the problem of leakage magnetic field and heat / energy loss can be reduced, spintronic devices using spin torque acting between conduction electron spins and localized electron spins have attracted attention, and magnetization direction control without using an external magnetic field. Technology is being established.

このスピントロニクス装置の実現の鍵を握る主役として、電荷の流れを伴う「スピン偏極電流」と電荷の流れを伴わない「スピン流」が知られている。金属強磁性体内では、自発磁化の原因が伝導電子のスピン状態によるため、電流を流すだけでスピン偏極電流が発生する。一方、非磁性体に電流を流しても、スピン軌道相互作用による散乱で、電流に対して垂直方向にスピン流が生成する現象が「スピンホール効果」として知られており、強磁性体を使わない新しいスピン流の生成手法として、近年、非常に注目されている(非特許文献1参照。)。ここで、スピン流とは、磁気モーメントの輸送現象のうち、個別粒子の移動は伴うが電荷の輸送を伴わないものを指す。   “Spin-polarized current” with charge flow and “spin current” with no charge flow are known as the main roles for realizing this spintronic device. In a metal ferromagnet, the cause of spontaneous magnetization is due to the spin state of conduction electrons, so that a spin-polarized current is generated simply by passing a current. On the other hand, a phenomenon in which spin current is generated in the direction perpendicular to the current due to scattering due to spin-orbit interaction even when a current is passed through a non-magnetic material is known as the “Spin Hall effect”. In recent years, there has been a great deal of attention as a new spin current generation method (see Non-Patent Document 1). Here, the spin current refers to a magnetic moment transport phenomenon that involves movement of individual particles but does not involve charge transport.

導体に電流を流して磁場をかけると、流れる電子は磁場に対して垂直方向のローレンツ力を受け、運動方向が曲げられる。この現象はホール効果とよばれ、電子工学の様々なセンサーに応用されてきた。スピンホール効果は、粒子の電荷ではなく、粒子にもともと備わっている角運動量(スピン)に由来して起きる。荷電粒子のスピンは磁場を作り出す。スピンホール効果は、古典的なホール効果と対をなす現象であり、試料に電場をかけると、こうしたスピン磁気モーメントをもつ粒子の軌道が電場に垂直な方向に曲げられる。例えば、白金(Pt)や金(Au)などの貴金属中を流れる電流には1/2スピンの電子と−1/2スピンの電子の割合がそれぞれ50%ずつ含まれているが、スピン軌道相互作用によって散乱されるとき、1/2スピンの電子と−1/2スピンの電子が互いに反対方向に散乱され、互いに対向して蓄積されることを利用する。1/2スピンと−1/2スピンの電子が、一定距離を隔てて互いに対向して蓄積される結果、スピンホール効果によって、流している電流方向に対して垂直方向に、電荷の流れのない純粋なスピン流が生成する。   When a current is applied to a conductor to apply a magnetic field, the flowing electrons receive a Lorentz force perpendicular to the magnetic field, and the direction of motion is bent. This phenomenon is called the Hall effect and has been applied to various sensors in electronics. The spin Hall effect is caused not by the charge of the particle but by the angular momentum (spin) inherent to the particle. The spin of charged particles creates a magnetic field. The spin Hall effect is a phenomenon that is paired with the classical Hall effect. When an electric field is applied to a sample, the orbit of a particle having such a spin magnetic moment is bent in a direction perpendicular to the electric field. For example, the current flowing in a noble metal such as platinum (Pt) or gold (Au) contains 50% of 1/2 spin electrons and −1/2 spin electrons, respectively. When scattered by an action, the fact that 1/2 spin electrons and -1/2 spin electrons are scattered in opposite directions and accumulated opposite to each other is utilized. Electrons of 1/2 spin and -1/2 spin are accumulated opposite to each other at a certain distance, and as a result, there is no charge flow in the direction perpendicular to the flowing current direction due to the spin Hall effect. A pure spin current is generated.

電荷の流れとしての電流は、キャリアの衝突までの平均自由行程によって表される散逸を受ける。これに対し、スピン流は電子の不純物やフォノンとの衝突の際に散乱を受けにくいため、スピン拡散長は平均自由行程よりかなり長いので弾道輸送(バリスティック輸送)も比較的容易になる。しかも、スピン流の舞台は、磁性体である必要はなく、非磁性の金属でも半導体でもよいので各種電子デバイスへの応用が可能である。しかしながら、スピン軌道相互作用はクーロン相互作用のような電気的相互作用よりも2桁以上弱いため、散乱確率が小さくなるので、従来のスピンホール効果による電流−スピン流変換効率が低い。そのため、従来のスピンホール効果によっては、高強度のスピン流が得られにくく、又スピン流が持続できる長さも数100nm程度以下に限られるという不都合があった。   The current as a charge flow undergoes dissipation represented by the mean free path until carrier collision. On the other hand, since the spin current is not easily scattered when colliding with an electron impurity or phonon, the spin diffusion length is considerably longer than the mean free path, so that ballistic transport (ballistic transport) is relatively easy. Moreover, the stage of the spin current does not need to be a magnetic material, and may be a non-magnetic metal or a semiconductor, so that it can be applied to various electronic devices. However, since the spin-orbit interaction is two orders of magnitude weaker than the electrical interaction such as the Coulomb interaction, the scattering probability is low, and the current-spin current conversion efficiency due to the conventional spin Hall effect is low. Therefore, depending on the conventional spin Hall effect, it is difficult to obtain a high-intensity spin current, and the length that the spin current can be sustained is limited to about several hundred nm or less.

特開2003−188390号公報JP 2003-188390 A

L.ヴィラ(Vila)等,「白金線中のホール効果の考察(Evolution of the Spin Hall Effect in Pt Nanowires):サイズ及び温度の効果(Size and Temperature Effects)」,フィジカル・レビュー・レターズ(Phys. Rev. Lett.),第99巻、 p.226604 (2007年)L. Vila et al., “Evolution of the Spin Hall Effect in Pt Nanowires: Size and Temperature Effects”, Physical Review Letters (Phys. Rev. Lett.), Vol. 99, p. 226604 (2007)

本発明は、電流−スピン流変換効率が高く、高強度のスピン流が得られるスピントロニクス装置、及びこのスピントロニクス装置を用いた論理演算素子を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a spintronics device that has a high current-spin current conversion efficiency and can obtain a high-intensity spin current, and a logical operation element using the spintronics device.

上記目的を達成するために、本発明の第1の態様は、(a)互いに平行に対向する第1端面及び第2端面を有し、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有しながらも互いに異符号の電荷を有することから、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、(b)第1端面に設けられ、スピン偏極された第1導電型キャリアをスピン流生成領域に注入する強磁性体からなる第1主電極と、(c)第2端面に設けられ、第2導電型キャリアをスピン流生成領域に注入する第2主電極とを備えるスピントロニクス装置であることを要旨とする。この第1の態様に係るスピントロニクス装置では、第1端面に垂直な面に直交する方向の磁場のローレンツ力により、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアとを同一方向に輸送されるように偏向して、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、スピン流生成領域においてスピン流を得ることを特徴とする。   In order to achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, there is provided (a) a first end face and a second end face facing each other in parallel, and the first conductivity type carrier and the second conductivity type carrier are the same. A spin current generation region composed of a non-magnetic ambipolar conductive metal having a Hall coefficient of zero, and (b) a first end face; A first main electrode made of a ferromagnetic material that is provided and injects a spin-polarized first conductivity type carrier into the spin current generation region; and (c) a second conductivity type carrier that is provided on the second end face and spins the second conductivity type carrier. The gist of the invention is a spintronics device including a second main electrode to be injected into the generation region. In the spintronic device according to the first aspect, the first conductivity type carrier and the second conductivity type carrier are transported in the same direction by the Lorentz force of the magnetic field in the direction perpendicular to the plane perpendicular to the first end face. By deflecting, the charges of the first conductivity type carrier and the second conductivity type carrier cancel each other, and a spin current is obtained in the spin current generation region.

本発明の第2の態様は、(a)互いに平行に対向する第1端面及び第2端面を有し、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有しながらも互いに異符号の電荷を有することから、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、(b)第1端面に設けられ、スピン偏極された第1導電型キャリアをスピン流生成領域に注入する強磁性体からなる第1主電極と、(c)第2端面に設けられ、第2導電型キャリアをスピン流生成領域に注入する第2主電極と、(d)第1端面に直交するスピン流生成領域の出力側面に設けられた、強磁性体からなる検出電極とを備える論理演算素子であることを要旨とする。この第2の態様に係る論理演算素子では、第1端面に垂直な面に直交する方向の磁場のローレンツ力により、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアとを共に出力側面に向かう方向に輸送されるように偏向して、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、検出電極の磁化の方向を入力信号、第1主電極と検出電極との間の抵抗を出力信号とすることを特徴とする。   In the second aspect of the present invention, (a) a first end face and a second end face facing each other in parallel with each other, the first conductivity type carrier and the second conductivity type carrier have the same carrier density and mobility. The spin current generation region made of a non-magnetic ambipolar conductive metal having a Hall coefficient of zero, and (b) provided on the first end face and spin polarized, A first main electrode made of a ferromagnetic material for injecting the first conductivity type carrier into the spin current generation region; and (c) a second main electrode provided on the second end face and injecting the second conductivity type carrier into the spin current generation region. The gist of the invention is a logical operation element including an electrode and (d) a detection electrode made of a ferromagnetic material provided on the output side surface of the spin current generation region orthogonal to the first end face. In the logic operation element according to the second aspect, both the first conductivity type carrier and the second conductivity type carrier are directed toward the output side surface by the Lorentz force of the magnetic field in the direction perpendicular to the plane perpendicular to the first end face. By deflecting so as to be transported, the charges of the first conductivity type carrier and the second conductivity type carrier cancel each other, the direction of magnetization of the detection electrode is set as an input signal, and the resistance between the first main electrode and the detection electrode is reduced. It is an output signal.

本発明の第3の態様は、(a) 互いに平行に対向する第1端面及び第2端面を有し、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有しながらも互いに異符号の電荷を有することから、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、(b)第1端面に設けられ、スピン偏極された第1導電型キャリアをスピン流生成領域に注入する強磁性体からなる第1主電極と、(c)第2端面に設けられ、スピン偏極された第2導電型キャリアをスピン流生成領域に注入する強磁性体からなる第2主電極と、(d)第1端面に直交するスピン流生成領域の出力側面に設けられた、強磁性体からなる検出電極とを備える論理演算素子であることを要旨とする。この第3の態様に係る論理演算素子では、第1端面に垂直な面に直交する方向の磁場のローレンツ力により、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアとを共に出力側面に向かう方向に輸送されるように偏向して、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、第1主電極の磁化の方向を第1の入力信号、第2主電極の磁化の方向を第2の入力信号、第1主電極と第2主電極との間の抵抗を出力信号とすることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, (a) a first end face and a second end face facing each other in parallel with each other, the first conductivity type carrier and the second conductivity type carrier have the same carrier density and mobility. The spin current generation region made of a non-magnetic ambipolar conductive metal having a Hall coefficient of zero, and (b) provided on the first end face and spin polarized, A first main electrode made of a ferromagnetic material for injecting a first conductivity type carrier into the spin current generation region; and (c) a spin-polarized second conductivity type carrier provided on the second end face in the spin current generation region. A logic operation element comprising a second main electrode made of a ferromagnetic material to be injected, and (d) a detection electrode made of a ferromagnetic material provided on the output side surface of the spin current generation region orthogonal to the first end face Is the gist. In the logic operation element according to the third aspect, both the first conductivity type carrier and the second conductivity type carrier are directed toward the output side surface by the Lorentz force of the magnetic field in the direction perpendicular to the plane perpendicular to the first end face. By deflecting so as to be transported, the charges of the first conductivity type carrier and the second conductivity type carrier cancel each other, and the magnetization direction of the first main electrode is set as the first input signal and the magnetization direction of the second main electrode. Is a second input signal, and a resistance between the first main electrode and the second main electrode is an output signal.

本発明によれば、電流−スピン流変換効率が高く、高強度のスピン流が得られるスピントロニクス装置、及びこのスピントロニクス装置を用いた論理演算素子を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the spintronics apparatus with high electric current-spin current conversion efficiency and the high intensity | strength spin current can be obtained, and the logic operation element using this spintronics apparatus can be provided.

本発明の第1の実施の形態に係るスピントロニクス装置の構成を説明する模式図である。It is a mimetic diagram explaining the composition of the spintronics device concerning a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態に係るスピントロニクス装置の動作を示す表である。It is a table | surface which shows operation | movement of the spintronics apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係るスピントロニクス装置の構成を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the structure of the spintronics apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態に係る論理演算素子の状態遷移を説明する真理値表である。It is a truth table explaining the state transition of the logic operation element which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施の形態に係る論理演算素子の構成を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the structure of the logical operation element which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施の形態に係る論理演算素子の状態遷移を説明する真理値表である。It is a truth table explaining the state transition of the logic operation element which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施の形態に係る論理演算素子の構成を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the structure of the logical operation element which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施の形態に係る論理演算素子の基礎とする状態遷移を説明する真理値表である。It is a truth table explaining the state transition which is the basis of the logic operation element which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施の形態に係る論理演算素子の構成を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the structure of the logical operation element which concerns on the 6th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施の形態に係る論理演算素子の基礎とする状態遷移を説明する真理値表である。It is a truth table explaining the state transition which is the basis of the logic operation element which concerns on the 6th Embodiment of this invention. 本発明の第7の実施の形態に係る高強度のスピン流を発生可能なスピントロニクス装置の構成を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the structure of the spintronics apparatus which can generate | occur | produce the high intensity | strength spin current based on the 7th Embodiment of this invention. 「フェルミ面」を説明するために運動量空間を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically momentum space in order to demonstrate a "Fermi surface." 295Kにおける各種材料のホール係数Rの絶対値を比較して示す表である。It is a table showing a comparison of the absolute value of the Hall coefficient R H for various materials in the 295 K. 水素化イットリウム(YHx:1.7<x<2.1)の295K及び77Kにおけるホール係数Rと比抵抗との関係を説明するグラフである。Hydrogenation yttrium: is a graph illustrating the relationship between the Hall coefficient R H and resistivity in 295K and 77K of (YH x 1.7 <x <2.1 ). 本発明の他の実施の形態に係るスピン注入型発光ダイオード(LED)の概略の構造を説明する模式的な鳥瞰図である。It is a typical bird's-eye view explaining the schematic structure of the spin injection type light emitting diode (LED) which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の更に他の実施の形態に係るスピン注入型高電子移動度トランジスタ(HEMT)の概略の構造を説明する模式的な鳥瞰図である。It is a typical bird's-eye view explaining the schematic structure of a spin injection type high electron mobility transistor (HEMT) according to still another embodiment of the present invention. 本発明の更に他の実施の形態に係る論理集積回路の概略の構造を説明する模式的な鳥瞰図である。It is a typical bird's-eye view explaining the structure of the outline of the logic integrated circuit which concerns on other embodiment of this invention.

次に、図面を参照して、本発明の第1〜第7の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。例えば、図1,図3,図5、図7及び図9等において、スピン流生成領域30の各図の縦方向に測られる厚さ(第1端面と第2端面との間の距離)は、便宜上誇張した大きさで図示されており、現実の厚さはスピン拡散長を考慮すると図示よりも薄い方が好ましいトポロジーがあり得るので、厚みと平面寸法との関係は現実のものとは異なり得ることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。   Next, first to seventh embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. For example, in FIGS. 1, 3, 5, 7, and 9, the thickness (distance between the first end face and the second end face) measured in the vertical direction of each drawing of the spin current generation region 30 is For the sake of convenience, there is an exaggerated size for the sake of convenience, and in consideration of the spin diffusion length, there may be a preferred topology that is thinner than the illustration, so the relationship between the thickness and the planar dimensions is different from the actual one. It should be noted that you get. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

又、以下に示す第1〜第7の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。   Also, the following first to seventh embodiments exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is the component parts. The material, shape, structure, arrangement, etc. are not specified below. The technical idea of the present invention can be variously modified within the technical scope described in the claims.

(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、図1に示すように、第1導電型キャリアと第2導電型キャリア(電子と正孔)とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状のスピン流生成領域30、スピン流生成領域30の端面(第1端面)に金属学的に接合され、強磁性体からなり、スピン偏極電流をスピン流生成領域30に注入する第1主電極20、第1端面に平行に対向する端面(第2端面)に金属学的に接合され、非磁性体の導体からなる第2主電極40、第1端面及び第2端面と直交する側面(出力側面)の中央部に金属学的に接合され、第1主電極20より小さな保磁力を有する強磁性体からなる検出電極50を有するスピン流変換素子10と、スピン流変換素子10の第1主電極20と第2主電極40との間に直流のバイアス電圧を印加する直流電源6とを備える。本発明において「ホール係数がゼロ」とは、ホール係数Rが、1.5×10‐113/C以下の小さな値であり、実質的に「ホール係数がゼロ」が見なせればよい。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, the spintronics device according to the first embodiment of the present invention has the same carrier density and mobility of the first conductivity type carrier and the second conductivity type carrier (electrons and holes). A rectangular parallelepiped spin current generating region 30 made of a non-magnetic ambipolar conductive metal having a Hall coefficient of zero, and is metallurgically bonded to an end face (first end face) of the spin current generating region 30 to form a ferromagnetic material A first main electrode 20 for injecting a spin-polarized current into the spin current generation region 30 and metallically bonded to an end face (second end face) facing the first end face in parallel with the non-magnetic conductor. The second main electrode 40, the first end face, and a detection made of a ferromagnetic material that is metallurgically bonded to the center of the side face (output side face) orthogonal to the second end face and has a smaller coercive force than the first main electrode 20 A spin current conversion element 10 having an electrode 50; Comprising a first main electrode 20 of the flow transducer 10 and the DC power supply 6 for applying a DC bias voltage between the second main electrode 40. In the present invention, “the Hall coefficient is zero” means that the Hall coefficient RH is a small value of 1.5 × 10 −11 m 3 / C or less, and if “the Hall coefficient is zero” can be considered substantially. Good.

第1の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、第1主電極20の電位を示すノードN1と、検出電極50の電位を示すノードN2との間に図示を省略した電圧計等の電位測定手段を更に備えており、電位測定手段が測定する電圧の変化により、スピン流変換素子10の電流−スピン流変換したスピン流を検出する。即ち、第1主電極20と検出電極50との間の抵抗値の変化を検出して、スピン流生成領域30で電流−スピン流変換したスピン流の有無を検出する。   The spintronics device according to the first exemplary embodiment includes a potential measuring unit such as a voltmeter (not shown) between the node N1 indicating the potential of the first main electrode 20 and the node N2 indicating the potential of the detection electrode 50. Furthermore, the spin current obtained by current-spin current conversion of the spin current conversion element 10 is detected by a change in voltage measured by the potential measuring means. That is, a change in resistance value between the first main electrode 20 and the detection electrode 50 is detected, and the presence / absence of a spin current that has undergone current-spin current conversion in the spin current generation region 30 is detected.

図13に295Kにおける各種材料のホール係数Rを示すが、ホール係数Rが1.5×10‐113/C以下で実質的にゼロと見なせるような小さな値の材料は限られている。第1の実施の形態に係るスピントロニクス装置のスピン流生成領域30に用いる材料としては、水素化イットリウム(YHx(1.7<x<2.1)が好適である。図14に示すように、295K及び77Kにおいて、YHxの比抵抗が6.0×10‐7Ωm以下であれば、YHxのホール係数Rは1.5×10‐113/C以下の値となる。H/Y比が1.7〜2.1の範囲にあるYHxは、同一の結晶構造とほぼ同じ格子定数をもつので、スピン流生成領域30に用いる材料として利用可能であるが、特に、x=2.0の化学量論的組成に近いYHxが、実質的にホール係数をゼロと見なす上で好ましい。YHxの他、第1の実施の形態に係るスピントロニクス装置のスピン流生成領域30に用いる材料としては、YH2(イットリウム二水素化物)と酷似した電子構造もつ水素化スカンジウム(ScH2:スカンジウム二水素化物)、水素化ランタン(LaH2:ランタン二水素化物)等の希土類水素化物等を採用可能である。 Show Hall coefficient R H for various materials in 295K in FIG. 13, the material of the small value, such as the Hall coefficient R H can be regarded as substantially zero at 1.5 × 10 -11 m 3 / C or less limited and Yes. As a material used for the spin current generation region 30 of the spintronic device according to the first embodiment, yttrium hydride (YH x (1.7 <x <2.1) is suitable. As shown in FIG. At 295 K and 77 K, if the specific resistance of YH x is 6.0 × 10 −7 Ωm or less, the Hall coefficient RH of YH x is 1.5 × 10 −11 m 3 / C or less. YH x having an H / Y ratio in the range of 1.7 to 2.1 has almost the same lattice constant as the same crystal structure, and thus can be used as a material used for the spin current generation region 30. x = 2.0 stoichiometric YH x close to composition, other preferred .YH x on substantially regarded Hall coefficient and zero spin current generation region of the spintronic device according to the first embodiment as a material used for the 30, YH 2 (yttrium two Motobakemono) hydrogenated scandium having electronic structures very similar (ScH 2: Scandium dihydride), lanthanum hydride (LaH 2: it is possible to employ lanthanum dihydride) rare earth hydride such like.

「フェルミ面」とは固体中の伝導電子の取り得る運動エネルギーの最大値を、図12に示すような運動量空間で表示するものである。フェルミ面の曲率において正値と負値の領域がほぼ均等に分布し、曲率の平均値がゼロであれば、磁場に垂直な面内で互いに逆方向に注入された第1導電型キャリア及び第2導電型キャリア(電子及び正孔)は、電子濃度Ne=正孔濃度Nh、且つ電子移動度μe=正孔移動度μhとなるので、正孔及び電子がそれぞれローレンツ力の働く方向(X方向)に運ぶ総電荷量は相殺される。 The “Fermi surface” represents the maximum value of kinetic energy that can be taken by conduction electrons in a solid in a momentum space as shown in FIG. If the positive and negative values of the Fermi surface curvature are distributed almost evenly and the average value of the curvature is zero, the first conductivity type carrier and the first carrier injected in the opposite directions in the plane perpendicular to the magnetic field Since the two-conductivity type carriers (electrons and holes) have an electron concentration N e = hole concentration N h and an electron mobility μ e = hole mobility μ h , the Lorentz force acts on the holes and electrons, respectively. The total charge carried in the direction (X direction) is offset.

即ちフェルミ面の曲率の平均値が実質的にゼロであれば、ホール係数が実質的にゼロとなり、通常のホール効果におけるホール電圧が消失する。このため、正孔及び電子がホール電場から受ける力がなくなり、ローレンツ力との釣り合いがなくなる。よって、磁場に垂直な面内で互いに逆方向に注入された正孔及び電子が共にローレンツ力の働く方向(X方向)に流れ、ローレンツ力の働く方向(X方向)に流れる電荷の流れは0となる。このとき、正孔あるいは電子に対し、予め、スピン偏極させておけば、ローレンツ力の働く方向(X方向)に向かうスピン流が生成できる。このようなスピン流は磁場が印加できる領域ならばどこでも発生するものであるから、その持続長をナノスケールから巨視的スケールまで任意の長さにできるという特徴をもつ。   That is, if the average value of the curvature of the Fermi surface is substantially zero, the Hall coefficient is substantially zero, and the Hall voltage in the normal Hall effect disappears. For this reason, the force which a hole and an electron receive from a Hall electric field is lost, and the balance with the Lorentz force is lost. Therefore, holes and electrons injected in directions opposite to each other in a plane perpendicular to the magnetic field flow in the direction in which the Lorentz force works (X direction), and the flow of charge flowing in the direction in which the Lorentz force works (X direction) is 0. It becomes. At this time, if spin polarization is performed on holes or electrons in advance, a spin current directed in the direction of the Lorentz force (X direction) can be generated. Since such a spin current is generated in any region where a magnetic field can be applied, it has a feature that its sustained length can be set to any length from nanoscale to macroscopic scale.

図1においては、スピン流生成領域30は、第1主電極20、スピン流生成領域30、第2主電極40及び検出電極50がなす平面に垂直な方向(Z方向)に磁場Bが印加されている場合が例示的に示されているが、図1においては、第1主電極20は、磁場Bに平行な方向(Z方向)に磁化Mを固定した磁化固定電極であるとする。検出電極50は、磁場Bに対して平行又は反平行(Z方向又は−Z方向)のいずれにも自在に磁化Mを有することが可能な磁化自由電極として構成している。検出電極50のみが制御用磁場BINによって磁化Mを反転可能な磁化自由電極として作用させるため、磁化固定電極である第1主電極20は、保磁力B(A)が例えば300mT程度以上の強磁性体、検出電極50は、保磁力B(C)が例えば250mT程度以上280mT程度以下の強磁性体から構成するのが好ましい。このとき、|B(C)|<|B(A)|となるように第1主電極20及び検出電極50の材料と形状・サイズを選び、|B(C)|<|BIN|<|B(A)|となるような制御用磁場BINを印加することにより、磁化Mのみを変化させ、磁化自由電極として機能させ、第1主電極20を磁化固定電極として機能させることができる。このため、例えば、第1主電極20の形状を、アスペクト比が1:5程度の矩形平板状とし、検出電極50の形状を、アスペクト比が1:4程度の矩形平板状として、それぞれの長辺が制御用磁場BINに対して平行になるように配置すればよい。保磁力を|B(C)|<|B(A)|とするために、電極の平面パターンは矩形の代わりに平行四辺形にしても可能であるし、勿論合金の組成によって調整することも可能である。又、第1主電極20及び検出電極50は、共に比抵抗が1.0×10‐6Ωm以下とすることが好ましい。第1主電極20及び検出電極50を構成する強磁性体として、例えばCoxFeyNiz(x=0.2〜0.7,y=0.2〜0.4,z=0.1〜0.2)のようなコバルト・鉄・ニッケル合金等を含む種々の強磁性体が採用可能である。第1主電極20及び検出電極50を結晶性の強磁性体とする場合は磁化容易軸となる結晶軸方位をスピン流生成領域30の第1端面、及びこの第1端面と直交する側面(出力側面)に対して垂直となるようにそれぞれ選ぶのが好ましい。強磁性体が立方晶系であれば、[100],[010],[−100],[0−10]方向が磁化容易軸となる。 In FIG. 1, the spin current generation region 30 applies a magnetic field B H in a direction (Z direction) perpendicular to a plane formed by the first main electrode 20, the spin current generation region 30, the second main electrode 40 and the detection electrode 50. While if is illustratively shown being, in Figure 1, the first main electrode 20, if it is magnetized fixed electrode magnetization M a fixed direction (Z-direction) parallel to the magnetic field B H To do. Detection electrode 50 is configured as a magnetization free electrode which can have a freely magnetization M C in either parallel or antiparallel (Z direction or -Z direction) to the magnetic field B H. Because only the detection electrode 50 is to act as a reversible magnetization free electrode magnetization M C by controlling the magnetic field B IN, the first main electrode 20 a magnetization fixed electrode, the coercive force B C (A) is, for example, more than about 300mT The detection electrode 50 is preferably composed of a ferromagnetic material having a coercive force B C (C) of, for example, about 250 mT to about 280 mT. At this time, the materials, shapes, and sizes of the first main electrode 20 and the detection electrode 50 are selected so that | B C (C) | <| B C (A) |, and | B C (C) | <| B IN | <| B C (a ) | by applying to become such control field B IN, changing only the magnetization M C, to function as a free magnetic electrode, the first main electrode 20 as a magnetization fixed electrode Can function. For this reason, for example, the shape of the first main electrode 20 is a rectangular flat plate with an aspect ratio of about 1: 5, and the shape of the detection electrode 50 is a rectangular flat plate with an aspect ratio of about 1: 4. What is necessary is just to arrange | position so that a side may become parallel with respect to the magnetic field BIN for control. In order to make the coercive force | B C (C) | <| B C (A) |, the planar pattern of the electrodes can be a parallelogram instead of a rectangle, and of course, it is adjusted by the composition of the alloy. It is also possible. The first main electrode 20 and the detection electrode 50 both preferably have a specific resistance of 1.0 × 10 −6 Ωm or less. As a ferromagnetic material constituting the first main electrode 20 and the detection electrode 50, for example, Co x Fe y Ni z (x = 0.2 to 0.7, y = 0.2 to 0.4, z = 0.1). Various ferromagnets including cobalt, iron, nickel alloys, etc. as in (0.2) can be used. When the first main electrode 20 and the detection electrode 50 are crystalline ferromagnets, the crystal axis orientation that is the easy axis of magnetization is the first end face of the spin current generation region 30 and the side face orthogonal to the first end face (output) It is preferable to select each so as to be perpendicular to the side surface. If the ferromagnet is cubic, the [100], [010], [-100], and [0-10] directions are the easy magnetization axes.

図1に示すように、スピン流変換素子10の第1主電極20をカソード、第2主電極40をアノードとして、直流電源6から直流のバイアス電圧を印加すると、第1主電極20においてスピン偏極された電子(第1導電型キャリア)がスピン流生成領域30に注入され、スピン流生成領域30中を第2主電極40に向かう方向(−Y方向)に進行する。又、第2主電極40からは正孔(第2導電型キャリア)がスピン流生成領域30に注入され、スピン流生成領域30中を第1主電極20に向かう方向(Y方向)に進行する。   As shown in FIG. 1, when a DC bias voltage is applied from the DC power source 6 with the first main electrode 20 of the spin current conversion element 10 as a cathode and the second main electrode 40 as an anode, a spin bias is applied to the first main electrode 20. Polarized electrons (first conductivity type carriers) are injected into the spin current generation region 30 and travel through the spin current generation region 30 in the direction toward the second main electrode 40 (−Y direction). Also, holes (second conductivity type carriers) are injected from the second main electrode 40 into the spin current generation region 30 and travel in the spin current generation region 30 in the direction toward the first main electrode 20 (Y direction). .

第1主電極20から注入されたスピン偏極された電子(第1導電型キャリア)、第2主電極40から注入された正孔(第2導電型キャリア)は、スピン流生成領域30において、それぞれ検出電極50に向かう方向(X方向)に作用するローレンツ力を磁場Bの下で受けて、検出電極50に向かう方向(X方向)に湾曲して進行する。電子と正孔の移動度が等しいときそれぞれに作用するローレンツ力の大きさが等しく、且つ検出電極50へ向かう正孔とスピン偏極された電子の数がほぼ等しい場合、両キャリアが運ぶ総電荷量は0となり、スピン流生成領域30内に、検出電極50へ向かう方向(X方向)にスピン流が生成する。 Spin-polarized electrons (first conductivity type carriers) injected from the first main electrode 20 and holes (second conductivity type carriers) injected from the second main electrode 40 are generated in the spin current generation region 30. The Lorentz force acting in the direction toward the detection electrode 50 (X direction) is received under the magnetic field BH , and the curve proceeds in the direction toward the detection electrode 50 (X direction). When the mobility of electrons and holes is equal, the magnitude of the Lorentz force acting on each is equal, and when the number of holes and spin-polarized electrons toward the detection electrode 50 are approximately equal, the total charge carried by both carriers The amount becomes 0, and a spin current is generated in the spin current generation region 30 in the direction toward the detection electrode 50 (X direction).

図2の表に示すように、検出電極50の磁化Mが、第1主電極20の磁化Mと同方向(Z方向)にしておけば、スピン流生成領域30の中央部付近にスピン蓄積は生じず、第1主電極20、検出電極50間の抵抗値は変化しない。このとき、ノードN1−N2間の検出電圧V=VUUとする(図2において、Z方向の磁化を上向きの矢印、−Z方向を下向きの矢印で示す。)。一方、検出電極50の磁化Mを、第1主電極20の磁化Mと逆方向(−Z方向)にすると、スピン流があれば、スピン流生成領域30の中央部付近にスピン蓄積が生じ、第1主電極20、検出電極50間の抵抗値が増加し、このときの検出電圧V=VUD>VUUとなるので、スピン流の有無を判定することができる。なお、第1主電極20の磁化Mと同方向(Z方向)の磁場Bは、キャリアに作用するローレンツ力を生成すると共に、キャリアのスピン偏極の緩和を防ぐ。 As shown in the table of FIG. 2, the magnetization M C of the detection electrode 50, if the magnetization M A in the same direction as the first main electrode 20 (Z-direction), the spin in the vicinity of the center portion of the spin current generation region 30 Accumulation does not occur, and the resistance value between the first main electrode 20 and the detection electrode 50 does not change. At this time, the detection voltage V 2 = V UU between the nodes N1 and N2 is set (in FIG. 2, the magnetization in the Z direction is indicated by an upward arrow, and the −Z direction is indicated by a downward arrow). On the other hand, the magnetization M C of the detection electrode 50, when the magnetization M A direction opposite of the first main electrode 20 (-Z direction), if any spin current, spin accumulation near the center of the spin current generation region 30 As a result, the resistance value between the first main electrode 20 and the detection electrode 50 increases, and the detection voltage V 2 = V UD > V UU at this time is satisfied , so that the presence or absence of the spin current can be determined. Incidentally, the magnetic field B H magnetization M A in the same direction (Z direction) of the first main electrode 20 serves to generate a Lorentz force acting on the carrier to prevent relaxation of the spin-polarized carriers.

第2主電極40を強磁性金属に置き換えることにより、アノードからもスピン偏極された正孔(第2導電型キャリア)の移動を通じてスピンを注入できる。このとき、磁場Bは注入された正孔スピンの緩和を防ぐと共に、正孔注入方向(Y方向)に対して垂直方向(X方向)にローレンツ力を作用させ、正孔スピンの流れを発生させる。この正孔スピンの流れがスピン偏極された電子(第1導電型キャリア)の流れと合流することによって、スピン流の流量を増強することが可能である。 By replacing the second main electrode 40 with a ferromagnetic metal, spin can be injected from the anode through the movement of the spin-polarized holes (second conductivity type carriers). At this time, the magnetic field B H prevents relaxation of the injected hole spin, and causes a Lorentz force to act in a direction perpendicular to the hole injection direction (Y direction) (X direction), thereby generating a flow of hole spin. Let The flow rate of the spin current can be increased by combining the flow of the hole spin with the flow of the spin-polarized electron (first conductivity type carrier).

なお、スピン流生成領域30の形状は直方体に限定されるものではなく、第1端面と第2端面とが平行で、出力側面が第1端面と第2端面に対し互いに垂直であり、正孔及び電子がローレンツ力によって円弧状に軌道を変更する輸送経路が確保できるトポロジーであれば、第1端面と出力側面との間に凹部や穴部等を有する形状、或いは第2端面と出力側面との間に凹部や穴部等を有する形状等であっても、第1の実施の形態に係るスピントロニクス装置のスピン流生成領域30として許容され得る。   The shape of the spin current generation region 30 is not limited to a rectangular parallelepiped, the first end surface and the second end surface are parallel, the output side surface is perpendicular to the first end surface and the second end surface, and the holes In addition, if the topology can secure a transport path in which the electrons change the trajectory in a circular arc shape by Lorentz force, the shape having a recess or a hole between the first end surface and the output side surface, or the second end surface and the output side surface Even a shape having a recess, a hole, or the like between them can be permitted as the spin current generation region 30 of the spintronic device according to the first embodiment.

(第2の実施の形態)
図1に示す第1の実施の形態に係るスピントロニクス装置はバイアス電圧が直流の場合について例示的に説明したが、図3に示すように2つの検出電極51a,51bをスピン流生成領域30を挟み込むように配置することによって、バイアス電圧が交流の場合であってもスピン流の検出を行うことが可能である。
(Second Embodiment)
The spintronics device according to the first embodiment shown in FIG. 1 has been exemplarily described with respect to the case where the bias voltage is DC, but the two detection electrodes 51a and 51b are sandwiched between the spin current generation region 30 as shown in FIG. By arranging in this way, it is possible to detect the spin current even when the bias voltage is an alternating current.

即ち、本発明の第2の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、図3に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状のスピン流生成領域30、スピン流生成領域30の端面に金属学的に接合され、強磁性体からなり、スピン偏極電流をスピン流生成領域30に注入する第1主電極20、スピン流生成領域30の第1主電極20が配置された端面(第1端面)と対向する端面(第2端面)に金属学的に接合され、非磁性体の導体からなる第2主電極40、スピン流生成領域30の第1主電極20が配置された端面と直交する一方の側面(第1出力側面)の中央部に金属学的に接合され、第1主電極20より小さな保磁力を有する強磁性体からなる第1の検出電極51a、第1の検出電極51aと電気的に短絡され、第1出力側面に対向する他方の側面(第2出力側面)に金属学的に接合され、第1の検出電極51aと同一の強磁性体からなる第2の検出電極51bを有するスピン流変換素子11と、スピン流変換素子11の第1主電極20と第2主電極40との間に交流電圧を印加する交流電源7とを備える。   That is, as shown in FIG. 3, the spintronic device according to the second embodiment of the present invention is a nonmagnetic material in which holes and electrons have the same carrier density and mobility, and the Hall coefficient is zero. A rectangular parallelepiped spin current generating region 30 made of a bipolar conductive metal and metallically bonded to the end face of the spin current generating region 30, made of a ferromagnetic material, and injecting a spin-polarized current into the spin current generating region 30. The first main electrode 20 and the end surface (second end surface) opposite to the end surface (first end surface) on which the first main electrode 20 of the spin current generation region 30 is disposed are metallurgically bonded, and from a non-magnetic conductor The second main electrode 40 and the central portion of one side surface (first output side surface) orthogonal to the end surface on which the first main electrode 20 of the spin current generation region 30 is arranged are metallurgically bonded, and the first main electrode A first ferromagnetic material having a coercive force smaller than 20. The detection electrode 51a is electrically short-circuited with the first detection electrode 51a, and is metallurgically joined to the other side surface (second output side surface) opposite to the first output side surface, and is identical to the first detection electrode 51a. A spin current conversion element 11 having a second detection electrode 51b made of a ferromagnetic material, and an AC power source 7 for applying an AC voltage between the first main electrode 20 and the second main electrode 40 of the spin current conversion element 11; Is provided.

スピン流生成領域30は、第1主電極20、スピン流生成領域30、第2主電極40、第1の検出電極51a及び第2の検出電極51bがなす平面に垂直な方向(Z方向)に磁場Bが印加されている。スピン流生成領域30中に注入された正孔と電子は、磁場Bと交流電源7からの交流電流によって、第1の検出電極51aに向かう方向(−X方向)に働くローレンツ力、第2の検出電極51bに向かう方向(X方向)に働くローレンツ力を交互に受ける。 The spin current generation region 30 is in a direction (Z direction) perpendicular to a plane formed by the first main electrode 20, the spin current generation region 30, the second main electrode 40, the first detection electrode 51a, and the second detection electrode 51b. A magnetic field B H is applied. The holes and electrons injected into the spin current generation region 30 are generated by the Lorentz force acting in the direction (−X direction) toward the first detection electrode 51a by the AC current from the magnetic field B H and the AC power source 7, the second The Lorentz force acting in the direction toward the detection electrode 51b (X direction) is alternately received.

第2の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、第1の実施の形態に係るスピントロニクス装置と同様に第1主電極20が、磁場Bに平行な方向(Z方向)に磁化Mを有する場合について例示的に説明する。第1の検出電極51a及び第2の検出電極51bは、それぞれ同一方向の磁化Mを有しており、磁化Mの方向は、制御用磁場によって、磁化Mに対して平行又は反平行(Z方向又は−Z方向)に任意(自由)に設定可能である。 If spintronic device according to a second embodiment, having a first main electrode 20 similarly to the spintronic device according to the first embodiment is, the magnetization M A in the direction (Z-direction) parallel to the magnetic field B H Will be exemplarily described. First detecting electrode 51a and the second detection electrode 51b has a magnetization M C in the same direction, the direction of magnetization M C is the control field, parallel or antiparallel to the magnetization M A It can be set arbitrarily (free) in (Z direction or -Z direction).

第2の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、第1主電極20の電位を示すノードN1、第1の検出電極51a及び第2の検出電極51bからそれぞれ引き出され、互いに接合されたノードN2は、それぞれロックイン増幅器(ロックインアンプ)9に接続されており、ノードN3の電圧をロックインアンプにおける位相検波の参照信号として使用し、ノードN1−N2間の交流電圧の変化をロックイン増幅器9で測定することにより、第1主電極20と、第1の検出電極51a及び第2の検出電極51bとの間の抵抗値の変化を検出できる。   In the spintronics device according to the second embodiment, the node N2 that is drawn from the node N1, the first detection electrode 51a, and the second detection electrode 51b that indicate the potential of the first main electrode 20, and is joined to each other, Each is connected to a lock-in amplifier (lock-in amplifier) 9, and the voltage at the node N 3 is used as a reference signal for phase detection in the lock-in amplifier, and the change in the AC voltage between the nodes N 1 and N 2 is detected by the lock-in amplifier 9. By measuring, a change in the resistance value between the first main electrode 20 and the first detection electrode 51a and the second detection electrode 51b can be detected.

第1の実施の形態で説明したように、磁化Mが、磁化Mと平行(Z方向)の場合、スピン流生成領域30の中央部付近にスピン蓄積は生じず、ノードN1−N2間の抵抗値は変化しない。磁化Mが、磁化Mと反平行(−Z方向)の場合、スピン流生成領域30の中央部付近にスピン蓄積が生じ、ノードN1−N2間の抵抗値が増加する。磁化M、磁化Mが互いに平行の場合の検出電圧V=VUU、反平行な場合の検出電圧V=VUDとすると、スピン流生成領域30中にスピン流が生成される場合はVUU<VUD、スピン流が生成されない場合はVUU=VUDの関係が成り立つ。このことを利用して、スピン流の有無を判定することができる。 As described in the first embodiment, the magnetization M C is the case of parallel to the magnetization M A (Z-direction), the spin accumulation does not occur near the center of the spin current generation region 30, between the node N1-N2 The resistance value does not change. Magnetization M C is the case of the magnetization M A antiparallel (-Z direction), spin accumulation occurs in the vicinity of the center portion of the spin current generation region 30, the resistance value between the node N1-N2 is increased. Magnetization M C, detection voltage V 2 = V UU when the magnetization M A is parallel, when the detection voltage V 2 = V UD when antiparallel, when the spin current is generated spin stream generation region 30 Is V UU <V UD , and if no spin current is generated, the relationship V UU = V UD holds. Using this fact, the presence or absence of spin current can be determined.

なお、スピン流生成領域30の形状は直方体に限定されるものではなく、第1端面と第2端面とが平行、第1出力側面が第1端面と第2端面に対し互いに垂直、第2出力側面が第1端面と第2端面に対し互いに垂直であり、正孔及び電子がローレンツ力によって円弧状に軌道を変更する輸送経路が確保できるトポロジーであれば、第1端面と第1出力側面との間に凹部や穴部等を有する形状、第2端面と第1出力側面との間に凹部や穴部等を有する形状、第2端面と第2出力側面との間に凹部や穴部等を有する形状、第1端面と第2出力側面との間に凹部や穴部等を有する形状のような、種々の形状が第2の実施の形態に係るスピントロニクス装置のスピン流生成領域30として許容され得る。   The shape of the spin current generation region 30 is not limited to a rectangular parallelepiped, the first end surface and the second end surface are parallel, the first output side surface is perpendicular to the first end surface and the second end surface, and the second output If the topology is such that the side surfaces are perpendicular to the first end surface and the second end surface and holes and electrons can change the orbit in a circular arc shape by Lorentz force, the first end surface and the first output side surface A shape having a recess or a hole between the second end surface and the first output side surface, a shape having a recess or a hole between the second end surface and the first output side surface, a recess or a hole between the second end surface and the second output side surface, etc. And various shapes such as a shape having a recess or a hole between the first end face and the second output side surface are allowed as the spin current generation region 30 of the spintronic device according to the second embodiment. Can be done.

(第3の実施の形態:NOT)
図1に示す第1の実施の形態に係るスピン流変換素子10は、入力信号に応じて所定の論理演算を行う論理演算素子として利用することが可能である。
(Third embodiment: NOT)
The spin current conversion element 10 according to the first embodiment shown in FIG. 1 can be used as a logical operation element that performs a predetermined logical operation in accordance with an input signal.

例えば、第1の実施の形態に係るスピン流変換素子10を、本発明の第3の実施の形態に係る論理演算素子としては、磁化の方向を入力信号=0,1とし否定(NOT)の出力信号を出力するNOTゲートとして用いることが可能である。   For example, when the spin current conversion element 10 according to the first embodiment is a logic operation element according to the third embodiment of the present invention, the magnetization direction is set to input signals = 0, 1 and negation (NOT) is performed. It can be used as a NOT gate that outputs an output signal.

図4に、第3の実施の形態に係る論理演算素子の真理値表を示すように、検出電極50の磁化Mが、第1主電極20の磁化Mに平行(Z方向:上向き)の場合が入力信号=1と定義し、検出電極50の磁化Mが、第1主電極20の磁化Mに反平行(−Z方向:下向き)の場合が入力信号=0と定義する(図4において、Z方向の磁化を上向きの矢印、−Z方向を下向きの矢印で示す。)。入力信号=0,1の設定、即ち、検出電極50の磁化Mの方向の設定は、外部磁場を用いればよい。 4, as a truth table of the logical operation device according to the third embodiment, the magnetization M C of the detection electrode 50, parallel to the magnetization M A of the first main electrode 20 (Z-direction: upward) If is defined as the input signal = 1, the magnetization M C of the detection electrode 50, antiparallel to the magnetization M a of the first main electrode 20 (-Z direction: downward) when is defined as the input signal = 0 ( In FIG. 4, the magnetization in the Z direction is indicated by an upward arrow, and the −Z direction is indicated by a downward arrow. Setting of the input signal = 0, i.e., the direction of the setting of the magnetization M C of the detection electrode 50 may be used an external magnetic field.

外部磁場を用いる代わりに、検出電極50にスピン注入することによるスピン注入磁化反転効果を用いれば、磁場を用いなくても磁化の方向を制御して入力信号=0,1の設定が可能である。スピン注入磁化反転効果を用いる場合は検出電極50を、磁性薄膜で非磁性薄膜をサンドイッチした構造にし、印加した高密度電流の向きによって磁化の配列(平行・反平行)を制御すればよい。スピン注入磁化反転効果は伝導電子が一方の磁性層から他方の磁性層を通過して流れるとき、スピン角運動量を他方の磁性層へ受け渡す(スピントランスファー効果)によって引き起こされる。即ち、スピン注入磁化反転効果は他方の磁性層にトルクを与えることにより、磁化の向きを反転させる。或いは、検出電極50をGa1-xMnxAs等のIII−V族磁性半導体で構成し、検出電極50に円偏光を照射してスピン偏極キャリアを生成し、スピン偏極に応じた方向に磁化を回転させるようにしてもよい。 If the spin injection magnetization reversal effect by spin injection into the detection electrode 50 is used instead of using an external magnetic field, the input signal = 0, 1 can be set by controlling the direction of magnetization without using a magnetic field. . When the spin injection magnetization reversal effect is used, the detection electrode 50 may have a structure in which a nonmagnetic thin film is sandwiched between a magnetic thin film and the magnetization arrangement (parallel / antiparallel) may be controlled by the direction of the applied high-density current. The spin injection magnetization reversal effect is caused by passing spin angular momentum to the other magnetic layer (spin transfer effect) when conduction electrons flow from one magnetic layer through the other magnetic layer. That is, the spin injection magnetization reversal effect reverses the magnetization direction by applying torque to the other magnetic layer. Alternatively, the detection electrode 50 is made of a III-V group magnetic semiconductor such as Ga 1-x Mn x As, and the detection electrode 50 is irradiated with circularly polarized light to generate spin-polarized carriers, and the direction according to the spin polarization Alternatively, the magnetization may be rotated.

図4の真理値表に示すように、入力信号が1の場合、出力電圧Vは、スピン流生成領域30で発生させたスピン流によって、スピン流生成領域30の中央部付近にスピン蓄積が生じないので、ノードN1−N2間の抵抗値は変化せず、出力電圧Vの値がロウレベル(=0)になる。一方、入力信号が0の場合、出力電圧Vは、スピン流生成領域30で発生させたスピン流によって、スピン流生成領域30の中央部付近にスピン蓄積が生じるので、ノードN1−N2間の抵抗値が増加し、出力電圧Vの値がハイレベル(=1)になる。 As shown in the truth table of FIG. 4, when the input signal is 1, the spin voltage generated in the spin current generation region 30 causes the output voltage V 2 to accumulate spin near the center of the spin current generation region 30. does not occur, the resistance value between the node N1-N2 is not changed, the value of the output voltage V 2 is at the low level (= 0). On the other hand, if the input signal is 0, the output voltage V 2 is the spin current which is generated by the spin current generation region 30, since the spin accumulation occurs in the vicinity of the center portion of the spin current generation region 30, between nodes N1-N2 resistance value increases, the value of the output voltage V 2 becomes a high level (= 1).

このように、本発明の第3の実施の形態に係る論理演算素子は、ハイレベル(=1)の入力信号を反転してロウレベル(=0)の出力信号を出力し、ロウレベル(=0)の入力信号を反転してハイレベル(=1)の出力信号を出力するインバータ(NOTゲート)として動作する。   As described above, the logical operation element according to the third embodiment of the present invention inverts the high level (= 1) input signal to output the low level (= 0) output signal, and outputs the low level (= 0). And an inverter (NOT gate) that outputs a high level (= 1) output signal.

第3の実施の形態に係る論理演算素子は、入力信号としての磁化の方向を保持することができるため、検出電極50の磁化Mの方向を反転させるまで、検出電極50に継続して外部磁場を与えずに、一定の出力が可能である。 Logical operation device according to the third embodiment, it is possible to hold the direction of magnetization of the input signal, until reversing the direction of magnetization M C of the detection electrode 50, external to continue the detection electrode 50 A constant output is possible without applying a magnetic field.

(第4の実施の形態:XOR)
本発明の第4の実施の形態に係る論理演算素子12は、図5に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状のスピン流生成領域30と、スピン流生成領域30の端面に金属学的に接合され、スピン偏極電流をスピン流生成領域30に注入する、強磁性体の磁化自由電極である第1主電極22と、スピン流生成領域30の第1主電極22が配置された端面と対向する端面に金属学的に接合され、非磁性体の導体からなる第2主電極40と、スピン流生成領域30の第1主電極22が配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、第1主電極22より小さな保磁力を有する強磁性体からなる検出電極50とを備える。
(Fourth embodiment: XOR)
As shown in FIG. 5, the logical operation element 12 according to the fourth embodiment of the present invention is a nonmagnetic material in which holes and electrons have the same carrier density and mobility, and the Hall coefficient is zero. A rectangular parallelepiped spin current generation region 30 made of a bipolar conductive metal and a metallographically bonded end face of the spin current generation region 30 to inject a spin-polarized current into the spin current generation region 30. A first main electrode 22 that is a magnetization free electrode and a second main body that is metallurgically bonded to an end face of the spin current generation region 30 opposite to the end face where the first main electrode 22 is disposed, and is made of a non-magnetic conductor. From the ferromagnetic material having a coercive force smaller than that of the first main electrode 22, the electrode 40 is metallically bonded to the central portion of the side surface orthogonal to the end surface where the first main electrode 22 of the spin current generation region 30 is disposed. The detection electrode 50 is provided.

第4の実施の形態に係る論理演算素子12は、第1主電極22の磁化Mの方向を第1入力信号A=0,1、検出電極50の磁化Mの方向を第2入力信号C=0,1とし、図6の真理値表に示されたような排他的論理和(XOR)の出力信号を出力するXORゲートである。 Logical operation element 12 according to the fourth embodiment, the magnetization M first input signal the direction of A A = 0, 1 of the first main electrode 22, the second input signal the direction of magnetization M C of the detection electrode 50 This is an XOR gate for setting C = 0, 1 and outputting an output signal of exclusive OR (XOR) as shown in the truth table of FIG.

スピン流生成領域30は、第1主電極22、スピン流生成領域30、第2主電極40及び検出電極50がなす平面に垂直な方向(Z方向)に磁場Bが印加されるが、図5及び図6に示すように、第1主電極22の磁化Mが、磁場Bと平行(Z方向)の場合の第1入力信号Aを1とし、反平行(−Z方向)の場合の第1入力信号Aを0とする。同様に、検出電極50の磁化Mが、磁化Mと平行(Z方向)の場合の第2入力信号Cを1、反平行(−Z方向)の場合の第2入力信号Cを0とする(図6において、Z方向の磁化を上向きの矢印、−Z方向を下向きの矢印で示す。)。 In the spin current generation region 30, a magnetic field B H is applied in a direction (Z direction) perpendicular to a plane formed by the first main electrode 22, the spin current generation region 30, the second main electrode 40, and the detection electrode 50. 5 and 6, the magnetization M a of the first main electrode 22, the first input signal a in the case of the parallel and the magnetic field B H (Z direction) and 1, when the anti-parallel (-Z direction) The first input signal A is set to 0. Similarly, the magnetization M C of the detection electrode 50, a second input signal C in the case of the parallel to the magnetization M A (Z-direction) 1, and the second input signal C to 0 in the case of antiparallel (-Z direction) (In FIG. 6, the magnetization in the Z direction is indicated by an upward arrow, and the −Z direction is indicated by a downward arrow.)

図6に真理値表を示すように、第4の実施の形態に係る論理演算素子12においては、第1入力信号Aが1、第2入力信号Cが1の場合は、スピン流生成領域30で発生させたスピン流によって、スピン流生成領域30の中央部付近にスピン蓄積が生じないので、ノードN1−N2間の抵抗値は変化せず、出力電圧Vの値がロウレベル(=0)になる。 As shown in the truth table in FIG. 6, in the logical operation element 12 according to the fourth embodiment, when the first input signal A is 1 and the second input signal C is 1, the spin current generation region 30 the spin current in caused, since the spin accumulation does not occur near the center of the spin current generation region 30, the node resistance between N1-N2 is not changed, the value of the output voltage V 2 is at a low level (= 0) become.

第1入力信号Aが1、第2入力信号Cが0の場合は、スピン流生成領域30で発生させたスピン流によって、スピン流生成領域30の中央部付近にスピン蓄積が生じるので、ノードN1−N2間の抵抗値が増加し、出力電圧Vの値がハイレベル(=1)になる。 When the first input signal A is 1 and the second input signal C is 0, the spin current generated in the spin current generation region 30 causes spin accumulation near the center of the spin current generation region 30, and therefore the node N 1 resistance value increases between -N @ 2, the value of the output voltage V 2 becomes a high level (= 1).

第1入力信号Aが0、第2入力信号Cが1の場合は、第1主電極22からスピン流生成領域30に下向き(−Z方向)にスピン偏極された電子が注入され、スピン偏極された電子は、第2主電極40から注入される正孔とで、検出電極50に向かうスピン流となる。検出電極50は、上向き(Z方向)の磁化Mを有しているので、スピン流生成領域30の中央部付近にスピン蓄積が生じる。よってノードN1−N2間の抵抗値は増加し、出力電圧Vの値がハイレベル(=1)となる。 When the first input signal A is 0 and the second input signal C is 1, spin-polarized electrons are injected downward (−Z direction) from the first main electrode 22 into the spin current generation region 30, and the spin polarization is injected. The poled electrons are holes injected from the second main electrode 40 and become a spin flow toward the detection electrode 50. Detection electrode 50, since they have magnetization M C upward (Z direction), spin accumulation occurs in the vicinity of the center portion of the spin current generation region 30. Thus the resistance value between the node N1-N2 is increased, the value of the output voltage V 2 becomes high level (= 1).

第1入力信号Aが0、第2入力信号Cが0の場合は、第1主電極22からスピン流生成領域30に、下向き(−Z方向)にスピン偏極された電子が注入され、スピン偏極された電子は、第2主電極40から注入される正孔とで、検出電極50に向かうスピン流となる。検出電極50は、下向き(−Z方向)の磁化Mを有しているので、スピン流生成領域30の中央部付近にスピン蓄積は生じず、出力電圧Vの値がロウレベル(=0)となる。 When the first input signal A is 0 and the second input signal C is 0, electrons that are spin-polarized downward (−Z direction) are injected from the first main electrode 22 into the spin current generation region 30, and spins are generated. The polarized electrons are holes injected from the second main electrode 40 and become a spin flow toward the detection electrode 50. Detection electrode 50 downward so that a magnetization M C of (-Z direction), the spin accumulation does not occur near the center of the spin current generation region 30, the value of the output voltage V 2 is at a low level (= 0) It becomes.

(第5の実施の形態:NAND)
本発明の第5の実施の形態に係る論理演算素子(13,R2)は、図7に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状のスピン流生成領域30、スピン流生成領域30の端面に金属学的に接合され、スピン偏極電子電流をスピン流生成領域30に注入する、強磁性体からなる磁化自由電極である第1主電極(ソース電極)23、スピン流生成領域30の第1主電極23が配置された端面と対向する端面に金属学的に接合され、第1主電極23より大きな保磁力を有し、スピン偏極正孔電流をスピン流生成領域30に注入する、強磁性体からなる磁化自由電極である第2主電極(ドレイン電極)43、スピン流生成領域30の第1主電極23が配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、第2主電極43より大きな保磁力を有する強磁性体からなる磁化固定電極である検出電極53を有するスピン流変換素子13と、スピン流変換素子13に第1主電極23を介して直列接続された出力抵抗Rと、出力抵抗Rの一端と第2主電極43との間に一定の直流のバイアス電圧Vを印加する直流電源6とを備える。第5の実施の形態に係る論理演算素子(13,R2)は、出力抵抗Rの両端の電圧を出力電圧Vとすることにより、第1主電極22の磁化Mの方向を第1入力信号A=0,1、第2主電極43の磁化Mの方向を第2入力信号B=0,1とし、図8に示された論理積(AND)の真理値表を反転した出力信号を出力抵抗Rの両端から出力電圧として出力するする否定論理積(NAND)ゲートである。図8のANDの真理値表において、Z方向の磁化を上向きの矢印、−Z方向を下向きの矢印で示す。
(Fifth embodiment: NAND)
As shown in FIG. 7, in the logic operation element (13, R 2 ) according to the fifth embodiment of the present invention, holes and electrons have the same carrier density and mobility, and the Hall coefficient is A rectangular parallelepiped spin current generation region 30 made of a nonmagnetic ambipolar conductive metal that is zero, is metallurgically bonded to the end face of the spin current generation region 30, and injects a spin-polarized electron current into the spin current generation region 30. The first main electrode (source electrode) 23, which is a magnetization free electrode made of a ferromagnetic material, and the end surface opposite to the end surface where the first main electrode 23 of the spin current generation region 30 is disposed are metallurgically bonded, A second main electrode (drain electrode) 43, which is a magnetization free electrode made of a ferromagnetic material, has a coercive force larger than that of one main electrode 23 and injects a spin-polarized hole current into the spin current generation region 30; The first main electrode 23 of the generation region 30 is disposed A spin current conversion element 13 having a detection electrode 53 that is a magnetization fixed electrode made of a ferromagnetic material that is metallurgically bonded to a central portion of a side surface orthogonal to the end surface and has a coercive force larger than that of the second main electrode 43; A direct current bias voltage V is applied between the output resistor R 2 connected in series to the current conversion element 13 via the first main electrode 23, and one end of the output resistor R 2 and the second main electrode 43. And a power source 6. Logical operation element (13, R 2) is according to the fifth embodiment, by making the voltage across the output resistor R 2 and the output voltage V 2, the direction of magnetization M A of the first main electrode 22 a 1 input signal a = 0, 1, the direction of magnetization M B of the second main electrode 43 as a second input signal B = 0, 1, obtained by inverting the truth table of the logical product (aND) shown in FIG. 8 it is a negative logical product (NAND) gate which outputs as an output voltage output signals from both ends of the output resistor R 2. In the AND truth table of FIG. 8, the magnetization in the Z direction is indicated by an upward arrow, and the −Z direction is indicated by a downward arrow.

スピン流生成領域30には、第1主電極23、スピン流生成領域30、第2主電極43、検出電極53がなす平面に垂直な方向(Z方向)に磁場Bが印加されている。スピン流生成領域30中に注入された正孔と電子は、磁場Bと直流電源6からの直流バイアスによって、検出電極53に向かう方向(X方向)に働くローレンツ力を受ける。 A magnetic field B H is applied to the spin current generation region 30 in a direction (Z direction) perpendicular to a plane formed by the first main electrode 23, the spin current generation region 30, the second main electrode 43, and the detection electrode 53. The holes and electrons injected into the spin current generation region 30 are subjected to Lorentz force acting in the direction toward the detection electrode 53 (X direction) by the magnetic field B H and the DC bias from the DC power source 6.

第1主電極23は、磁場Bに対して平行又は反平行方向(Z方向又は−Z方向)に磁化Mの方向を任意(自由に)設定可能である。第2主電極43は、磁化Mに対して平行又は反平行方向(Z方向又は−Z方向)に磁化Mの方向を任意(自由に)設定可能である。検出電極53は、磁場Bに対して反平行(−Z方向)に磁化Mの方向を固定している。磁化M及び磁化Mは、それぞれ外部から印加する制御用磁場によって、方向を反転される。 The first main electrode 23, the direction of magnetization M A optionally (freely) parallel or antiparallel to the magnetic field B H (Z direction or -Z direction) can be set. The second main electrode 43 is arbitrary (free) can set the direction of magnetization M B parallel or anti-parallel direction (Z direction or -Z direction) to the magnetization M A. Detection electrode 53 fixes the direction of magnetization M C antiparallel (-Z direction) relative to the magnetic field B H. Magnetization M A and the magnetization M B is the control magnetic field applied from the outside, respectively, it is reversed direction.

第1主電極23の保磁力B(A)は、第2主電極43保磁力B(B)よりも小さいので、第1入力信号Aとしての磁化Mの方向及び第2入力信号Bとしての磁化Mの方向を設定するために、第1主電極23及び第2主電極43へ磁場を印加する際は、保磁力の大きな第2主電極43の磁化Mを形成する磁場を印加した後、第1主電極23の磁化Mを形成する磁場を印加するような2段階のプロセスを用いる必要がある。その際、検出電極53の磁化Mの方向が制御用磁場BINによって反転しないように、検出電極53の保磁力B(C)を一番大きく設定しておく必要がある。 Coercivity B C of the first main electrode 23 (A), since the second main electrode 43 smaller than the coercive force B C (B), the direction and the second input signal B of the magnetization M A as a first input signal A to set the direction of magnetization M B as, when applying a magnetic field to the first main electrode 23 and the second main electrode 43, a magnetic field for forming the magnetization M B of a large coercive force the second main electrode 43 after applying, it is necessary to use a two-step process such as to apply a magnetic field to form a magnetization M a of the first main electrode 23. At that time, as the direction of magnetization M C of the detection electrode 53 is not inverted by the control magnetic field B IN, it is necessary to set largest coercive force B C of the detection electrode 53 (C).

即ち、第1主電極23の保磁力B(A)は例えば240mT程度以上260mT程度以下の強磁性体、第2主電極43の保磁力B(B)は例えば270mT程度以上290mT程度以下の強磁性体、検出電極53の保磁力B(C)は例えば300mT程度以上の強磁性体から構成することが好ましい。保磁力の調整は、スピン生成領域30に対する各電極の平面パターンを矩形にし、そのアスペクト比を変えることによって、あるいは、平面パターンを平行四辺形にすることによっても可能である。また、合金の組成によって調整することも可能である。この場合、|B(B)|<|BIN|<|B(C)|となるような制御用磁場BINを印加し、磁化Mの方向を任意(自由に)設定した後、|B(A)|<|BIN|<|B(B)|となるような制御用磁場BINを印加し、磁化Mの方向を任意(自由に)設定すればよい。第1入力信号Aとしての磁化Mの方向及び第2入力信号Bとしての磁化Mの方向を設定は、外部磁場を用いてもよく、スピン注入磁化反転効果を用いてもよい。又、第1主電極23、第2主電極43、検出電極53は、それぞれ比抵抗が1.0×10‐6Ωm以下とすることが好ましい。第1主電極23、第2主電極43、検出電極53を構成する物質として、例えばCoxFeyNiz(x=0.2〜0.7,y=0.2〜0.4,z=0.1〜0.2)のような、コバルト・鉄・ニッケル合金等の種々の強磁性体が採用可能である。 That is, the coercive force B C (A) of the first main electrode 23 is, for example, about 240 mT or more and about 260 mT or less, and the coercivity B C (B) of the second main electrode 43 is, for example, about 270 mT or more and about 290 mT or less. The coercive force B C (C) of the ferromagnetic material and the detection electrode 53 is preferably composed of a ferromagnetic material of, for example, about 300 mT or more. The coercive force can be adjusted by making the planar pattern of each electrode with respect to the spin generation region 30 rectangular and changing its aspect ratio, or by making the planar pattern a parallelogram. It can also be adjusted by the composition of the alloy. In this case, | B C (B) | <| B IN | <| B C (C) | and become such a control magnetic field B IN applied, any direction of the magnetization M B (free) after setting , | B C (a) | <| B iN | <| B C (B) | a control magnetic field B iN such that the applied, the direction of magnetization M a may be optionally (freely) setting. Setting the direction of magnetization M B of the direction and the second input signal B of the magnetization M A as a first input signal A may be used an external magnetic field, it may be used spin injection magnetization reversal effect. The first main electrode 23, the second main electrode 43, and the detection electrode 53 preferably each have a specific resistance of 1.0 × 10 −6 Ωm or less. As a material constituting the first main electrode 23, the second main electrode 43, and the detection electrode 53, for example, Co x Fe y Ni z (x = 0.2 to 0.7, y = 0.2 to 0.4, z = 0.1 to 0.2), various ferromagnetic materials such as cobalt, iron and nickel alloys can be used.

第5の実施の形態に係る論理演算素子(13,R2)においては、第1入力信号Aが1、第2入力信号Bが1の場合は、第1主電極(ソース電極)23から上向き(Z方向)にスピン偏極された電子がスピン流生成領域30に注入され、第2主電極(ドレイン電極)43から上向き(Z方向)にスピン偏極された正孔がスピン流生成領域30に注入されるが、検出電極53が下向き(−Z方向)に磁化Mの方向を固定しているので、スピン流生成領域30で発生させたスピン流は検出電極53に流れにくくなり、スピン流生成領域30の中央部付近にスピン蓄積を生じる。このため、第1主電極(ソース電極)23と第2主電極(ドレイン電極)43間の抵抗は、図8の真理値表に示されるように、ハイインピーダンス(=1)になる。よって、出力抵抗Rの一端と第2主電極43との間に印加される直流電源6のバイアス電圧Vが一定ならば、出力抵抗Rの両端の電圧として測られる出力電圧Vは、ロウレベル(=0)になる。 In the logical operation element (13, R 2 ) according to the fifth embodiment, when the first input signal A is 1 and the second input signal B is 1, it faces upward from the first main electrode (source electrode) 23. Electrons that are spin-polarized in the (Z direction) are injected into the spin current generation region 30, and holes that are spin-polarized upward from the second main electrode (drain electrode) 43 (Z direction) are generated in the spin current generation region 30. Although injected is, since the detection electrodes 53 are fixed in the direction of magnetization M C downward (-Z direction), spin current which is generated by the spin current generation region 30 is less likely to flow into the detecting electrode 53, the spin Spin accumulation occurs near the center of the flow generation region 30. Therefore, the resistance between the first main electrode (source electrode) 23 and the second main electrode (drain electrode) 43 becomes high impedance (= 1) as shown in the truth table of FIG. Therefore, the output voltage V 2 bias voltage V of the DC power supply 6 to be applied if a certain, to be measured as a voltage across the output resistor R 2 between the one end and the second main electrode 43 of the output resistance R 2 is It becomes low level (= 0).

一方、第1入力信号Aが1、第2入力信号Bが0の場合は、ソース電極23から上向き(Z方向)にスピン偏極された電子がスピン流生成領域30に注入され、ドレイン電極43から下向き(−Z方向)にスピン偏極された正孔がスピン流生成領域30に注入されるが、検出電極53が下向きに磁化Mの方向を固定しているので、スピン流生成領域30で発生させたスピン偏極電子電流は検出電極53に流れにくいが、スピン偏極正孔電流は検出電極53に流れ易いので、ソース電極23とドレイン電極43間の抵抗は、図8の真理値表に示されるように、ロウインピーダンス(=0)になる。よって、直流電源6のバイアス電圧Vが一定ならば、出力抵抗Rの両端の出力電圧Vは、ハイレベル(=1)になる。 On the other hand, when the first input signal A is 1 and the second input signal B is 0, electrons that are spin-polarized upward (in the Z direction) from the source electrode 23 are injected into the spin current generation region 30, and the drain electrode 43 While spin-polarized holes are injected into the spin current generation region 30 in a downward (-Z direction) from the detection electrodes 53 are fixed in the direction of magnetization M C downwards, the spin current generation region 30 8 is difficult to flow to the detection electrode 53, but the spin-polarized hole current easily flows to the detection electrode 53. Therefore, the resistance between the source electrode 23 and the drain electrode 43 is the truth value of FIG. As shown in the table, the low impedance (= 0) is obtained. Therefore, if the bias voltage V of the DC power supply 6 is constant, the output voltage V 2 across the output resistor R 2 is a high level (= 1).

又、第1入力信号Aが0、第2入力信号Bが0の場合は、ソース電極23から下向き(−Z方向)にスピン偏極された電子がスピン流生成領域30に注入され、ドレイン電極43から下向き(−Z方向)にスピン偏極された正孔がスピン流生成領域30に注入されるが、検出電極53が下向きに磁化Mの方向を固定しているので、スピン流生成領域30で発生させたスピン偏極電子電流及びスピン偏極正孔電流は共に検出電極53に流れ易いので、ソース電極23とドレイン電極43間の抵抗は、図8の真理値表に示されるように、ロウインピーダンス(=0)になる。よって、バイアス電圧Vが一定ならば、出力抵抗Rの両端の出力電圧Vは、ハイレベル(=1)になる。 When the first input signal A is 0 and the second input signal B is 0, electrons that are spin-polarized downward (−Z direction) from the source electrode 23 are injected into the spin current generation region 30, and the drain electrode Although holes are spin-polarized from 43 downward (-Z direction) is injected into the spin current generation region 30, the detection electrode 53 are fixed in the direction of magnetization M C downwards, spin current generation region Since both the spin-polarized electron current and the spin-polarized hole current generated at 30 are likely to flow to the detection electrode 53, the resistance between the source electrode 23 and the drain electrode 43 is as shown in the truth table of FIG. , Low impedance (= 0). Therefore, if the bias voltage V is constant, the output voltage V 2 across the output resistor R 2 is a high level (= 1).

更に、第1入力信号Aが0、第2入力信号Bが1の場合は、ソース電極23から下向き(−Z方向)にスピン偏極された電子がスピン流生成領域30に注入され、ドレイン電極43から上向き(Z方向)にスピン偏極された正孔がスピン流生成領域30に注入されるが、検出電極53が下向きに磁化Mの方向を固定しているので、スピン偏極正孔電流は検出電極53に流れにくいが、スピン偏極電子電流は検出電極53に流れ易いので、ソース電極23とドレイン電極43間の抵抗は、図8の真理値表に示されるように、ロウインピーダンス(=0)になる。よって、バイアス電圧Vが一定ならば、出力抵抗Rの両端の出力電圧Vは、ハイレベル(=1)になる。 Further, when the first input signal A is 0 and the second input signal B is 1, electrons that are spin-polarized downward (−Z direction) from the source electrode 23 are injected into the spin current generation region 30, and the drain electrode Although holes are spin-polarized from 43 upward (Z direction) is injected into the spin current generation region 30, the detection electrode 53 are fixed in the direction of magnetization M C downwards, spin-polarized holes Although the current hardly flows to the detection electrode 53, the spin-polarized electron current easily flows to the detection electrode 53. Therefore, the resistance between the source electrode 23 and the drain electrode 43 is low impedance as shown in the truth table of FIG. (= 0). Therefore, if the bias voltage V is constant, the output voltage V 2 across the output resistor R 2 is a high level (= 1).

(第6の実施の形態:OR)
本発明の第6の実施の形態に係る論理演算素子(13,R2)は、図9に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状のスピン流生成領域30、スピン流生成領域30の端面に金属学的に接合され、スピン偏極電子電流をスピン流生成領域30に注入する、強磁性体からなる磁化自由電極である第1主電極(ソース電極)23、スピン流生成領域30の第1主電極23が配置された端面と対向する端面に金属学的に接合され、第1主電極23より大きな保磁力を有し、スピン偏極正孔電流をスピン流生成領域30に注入する、強磁性体からなる磁化自由電極である第2主電極(ドレイン電極)43、スピン流生成領域30の第1主電極23が配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、第2主電極43より大きな保磁力を有する強磁性体からなる磁化固定電極である検出電極53を有するスピン流変換素子13と、スピン流変換素子13に第1主電極23を介して直列接続された出力抵抗Rと、出力抵抗Rの一端と第2主電極43との間に一定の直流のバイアス電圧Vを印加する直流電源6とを備える。第6の実施の形態に係る論理演算素子(13,R2)は、出力抵抗Rの両端の電圧を出力電圧Vとすることにより、第1主電極22の磁化Mの方向を第1入力信号A=0,1、第2主電極43の磁化Mの方向を第2入力信号B=0,1とし、図10に示された否定論理和(NOR)の真理値表を反転した出力信号を出力抵抗Rの両端から出力電圧として出力するする論理和(OR)ゲートである。図10のNORの真理値表において、Z方向の磁化を上向きの矢印、−Z方向を下向きの矢印で示す。
(Sixth embodiment: OR)
As shown in FIG. 9, in the logic operation element (13, R 2 ) according to the sixth embodiment of the present invention, holes and electrons have the same carrier density and mobility, and the Hall coefficient is A rectangular parallelepiped spin current generation region 30 made of a nonmagnetic ambipolar conductive metal that is zero, is metallurgically bonded to the end face of the spin current generation region 30, and injects a spin-polarized electron current into the spin current generation region 30. The first main electrode (source electrode) 23, which is a magnetization free electrode made of a ferromagnetic material, and the end surface opposite to the end surface where the first main electrode 23 of the spin current generation region 30 is disposed are metallurgically bonded, A second main electrode (drain electrode) 43, which is a magnetization free electrode made of a ferromagnetic material, has a coercive force larger than that of one main electrode 23 and injects a spin-polarized hole current into the spin current generation region 30; The first main electrode 23 of the generation region 30 is disposed A spin current conversion element 13 having a detection electrode 53 that is a magnetization fixed electrode made of a ferromagnet having a coercive force larger than that of the second main electrode 43; A direct current bias voltage V is applied between the output resistor R 2 connected in series to the current conversion element 13 via the first main electrode 23, and one end of the output resistor R 2 and the second main electrode 43. And a power source 6. Logical operation device according to the sixth embodiment (13, R 2), by the voltage across the output resistor R 2 and the output voltage V 2, the direction of magnetization M A of the first main electrode 22 a 1 input signal a = 0, 1, the direction of magnetization M B of the second main electrode 43 as a second input signal B = 0, 1, inverts the truth table of the indicated NOR in FIG 10 (NOR) a logical sum (OR) gate which outputs as an output voltage output signals from both ends of the output resistor R 2 that. In the NOR truth table of FIG. 10, the magnetization in the Z direction is indicated by an upward arrow, and the −Z direction is indicated by a downward arrow.

スピン流生成領域30は、第1主電極23、スピン流生成領域30、第2主電極43、検出電極53がなす平面に垂直な方向(Z方向)に磁場Bが印加されている。スピン流生成領域30中に注入された正孔と電子は、磁場Bと直流電源6からの直流バイアスによって、検出電極53に向かう方向(X方向)に働くローレンツ力を受ける。 In the spin current generation region 30, a magnetic field B H is applied in a direction (Z direction) perpendicular to the plane formed by the first main electrode 23, the spin current generation region 30, the second main electrode 43, and the detection electrode 53. The holes and electrons injected into the spin current generation region 30 are subjected to Lorentz force acting in the direction toward the detection electrode 53 (X direction) by the magnetic field B H and the DC bias from the DC power source 6.

第1主電極23は、磁場Bに対して平行又は反平行方向(Z方向又は−Z方向)に磁化Mの方向を任意(自由に)設定可能である。第2主電極43は、磁化Mに対して平行又は反平行方向(Z方向又は−Z方向)に磁化Mの方向を任意(自由に)設定可能である。検出電極53は、磁場Bに対して平行(Z方向)に磁化Mの方向を固定している点が、第5の実施の形態と異なる。磁化M及び磁化Mは、それぞれ外部から印加する制御用磁場によって、方向を反転される。 The first main electrode 23, the direction of magnetization M A optionally (freely) parallel or antiparallel to the magnetic field B H (Z direction or -Z direction) can be set. The second main electrode 43 is arbitrary (free) can set the direction of magnetization M B parallel or anti-parallel direction (Z direction or -Z direction) to the magnetization M A. Detection electrode 53, that secures the direction of magnetization M C parallel (Z-direction) to the magnetic field B H is different from the fifth embodiment. Magnetization M A and the magnetization M B is the control magnetic field applied from the outside, respectively, it is reversed direction.

第5の実施の形態で説明したのと同様に、第1主電極23の保磁力B(A)は、第2主電極43保磁力B(B)よりも小さいので、第1入力信号Aとしての磁化Mの方向及び第2入力信号Bとしての磁化Mの方向を設定するために、第1主電極23及び第2主電極43へ磁場を印加する際は、保磁力の大きな第2主電極43の磁化Mを形成する磁場を印加した後、第1主電極23の磁化Mを形成する磁場を印加するような2段階のプロセスを用いる必要がある。その際、検出電極53の磁化Mの方向が制御用磁場BINによって反転しないように、検出電極53の保磁力B(C)を一番大きく設定しておき、B(B)|<|BIN|<|B(C)|となるような制御用磁場BINを印加し、磁化Mの方向を任意(自由に)設定した後、|B(A)|<|BIN|<|B(B)|となるような制御用磁場BINを印加し、磁化Mの方向を任意(自由に)設定すればよい。 As described in the fifth embodiment, since the coercivity B C (A) of the first main electrode 23 is smaller than the coercivity B C (B) of the second main electrode 43, the first input signal to set the direction of magnetization M B of the direction and the second input signal B of the magnetization M a as a, when applying a magnetic field to the first main electrode 23 and the second main electrode 43, it size of coercive force after applying a magnetic field to form a magnetization M B of the second main electrode 43, it is necessary to use a two-step process such as to apply a magnetic field to form a magnetization M a of the first main electrode 23. At that time, as the direction of magnetization M C of the detection electrode 53 is not inverted by the control magnetic field B IN, it may be set largest coercive force B C of the detection electrode 53 (C), B C ( B) | <| B iN | <| B C (C) | is applied to become such control field B iN, any direction of the magnetization M B (free) after setting, | B C (a) | <| B iN | <| B C ( B) | a become such control field B iN applied, the direction of magnetization M a optionally may be (freely) setting.

第6の実施の形態に係る論理演算素子(13,R2)においては、第1入力信号Aが1、第2入力信号Bが1の場合は、第1主電極(ソース電極)23から上向き(Z方向)にスピン偏極された電子がスピン流生成領域30に注入され、第2主電極(ドレイン電極)43から上向き(Z方向)にスピン偏極された正孔がスピン流生成領域30に注入されるが、検出電極53が上向き(Z方向)に磁化Mの方向を固定しているので、スピン流生成領域30で発生させたスピン偏極電子電流及びスピン偏極正孔電流は共に検出電極53に流れ易いので、第1主電極(ソース電極)23と第2主電極(ドレイン電極)43間の抵抗は、図10の真理値表に示されるように、ロウインピーダンス(=0)になる。よって、出力抵抗Rの一端と第2主電極43との間に印加される直流電源6のバイアス電圧Vが一定ならば、出力抵抗Rの両端の電圧として測られる出力電圧Vは、ハイレベル(=1)になる。 In the logical operation element (13, R 2 ) according to the sixth embodiment, when the first input signal A is 1 and the second input signal B is 1, it faces upward from the first main electrode (source electrode) 23. Electrons that are spin-polarized in the (Z direction) are injected into the spin current generation region 30, and holes that are spin-polarized upward from the second main electrode (drain electrode) 43 (Z direction) are generated in the spin current generation region 30. Although injected is, since the detection electrodes 53 are fixed in the direction of magnetization M C upward (Z direction), the spin-polarized electron current and the spin-polarized hole current generated by the spin current generator region 30 Since both flow easily to the detection electrode 53, the resistance between the first main electrode (source electrode) 23 and the second main electrode (drain electrode) 43 is low impedance (= 0) as shown in the truth table of FIG. )become. Therefore, the output voltage V 2 bias voltage V of the DC power supply 6 to be applied if a certain, to be measured as a voltage across the output resistor R 2 between the one end and the second main electrode 43 of the output resistance R 2 is Becomes high level (= 1).

一方、第1入力信号Aが1、第2入力信号Bが0の場合は、ソース電極23から上向き(Z方向)にスピン偏極された電子がスピン流生成領域30に注入され、ドレイン電極43から下向き(−Z方向)にスピン偏極された正孔がスピン流生成領域30に注入されるが、検出電極53が上向きに磁化Mの方向を固定しているので、スピン流生成領域30で発生させたスピン偏極正孔電流は検出電極53に流れにくいが、スピン偏極電子電流は検出電極53に流れ易いので、ソース電極23とドレイン電極43間の抵抗は、図10の真理値表に示されるように、ロウインピーダンス(=0)になる。よって、直流電源6のバイアス電圧Vが一定ならば、出力抵抗Rの両端の出力電圧Vは、ハイレベル(=1)になる。 On the other hand, when the first input signal A is 1 and the second input signal B is 0, electrons that are spin-polarized upward (in the Z direction) from the source electrode 23 are injected into the spin current generation region 30, and the drain electrode 43 While spin-polarized holes are injected into the spin current generation region 30 in a downward (-Z direction) from the detection electrodes 53 are fixed in the direction of upward magnetization M C, spin current generation region 30 10 is difficult to flow to the detection electrode 53, but the spin-polarized electron current easily flows to the detection electrode 53. Therefore, the resistance between the source electrode 23 and the drain electrode 43 is the truth value of FIG. As shown in the table, the low impedance (= 0) is obtained. Therefore, if the bias voltage V of the DC power supply 6 is constant, the output voltage V 2 across the output resistor R 2 is a high level (= 1).

又、第1入力信号Aが0、第2入力信号Bが0の場合は、ソース電極23から下向き(−Z方向)にスピン偏極された電子がスピン流生成領域30に注入され、ドレイン電極43から下向き(−Z方向)にスピン偏極された正孔がスピン流生成領域30に注入されるが、検出電極53が上向きに磁化Mの方向を固定しているので、スピン流生成領域30で発生させたスピン偏極電子電流及びスピン偏極正孔電流はいずれも検出電極53に流れにくいので、ソース電極23とドレイン電極43間の抵抗は、図10の真理値表に示されるように、ハイインピーダンス(=1)になる。よって、バイアス電圧Vが一定ならば、出力抵抗Rの両端の出力電圧Vは、ロウレベル(=0)になる。 When the first input signal A is 0 and the second input signal B is 0, electrons that are spin-polarized downward (−Z direction) from the source electrode 23 are injected into the spin current generation region 30, and the drain electrode Although holes are spin-polarized from 43 downward (-Z direction) is injected into the spin current generation region 30, the detection electrode 53 are fixed in the direction of upward magnetization M C, spin current generation region Since both the spin-polarized electron current and the spin-polarized hole current generated at 30 hardly flow to the detection electrode 53, the resistance between the source electrode 23 and the drain electrode 43 is as shown in the truth table of FIG. Furthermore, it becomes high impedance (= 1). Therefore, if the bias voltage V is constant, the output voltage V 2 across the output resistor R 2 becomes low level (= 0).

更に、第1入力信号Aが0、第2入力信号Bが1の場合は、ソース電極23から下向き(−Z方向)にスピン偏極された電子がスピン流生成領域30に注入され、ドレイン電極43から上向き(Z方向)にスピン偏極された正孔がスピン流生成領域30に注入されるが、検出電極53が上向きに磁化Mの方向を固定しているので、スピン偏極電子電流は検出電極53に流れにくいが、スピン偏極正孔電流は検出電極53に流れ易いので、ソース電極23とドレイン電極43間の抵抗は、図10の真理値表に示されるように、ロウインピーダンス(=0)になる。よって、バイアス電圧Vが一定ならば、出力抵抗Rの両端の出力電圧Vは、ハイレベル(=1)になる。 Further, when the first input signal A is 0 and the second input signal B is 1, electrons that are spin-polarized downward (−Z direction) from the source electrode 23 are injected into the spin current generation region 30, and the drain electrode 43 is spin-polarized holes are injected into the spin current generation region 30 in an upward (Z direction) from the detection electrodes 53 are fixed in the direction of upward magnetization M C, spin-polarized electron current Is difficult to flow to the detection electrode 53, but since the spin-polarized hole current easily flows to the detection electrode 53, the resistance between the source electrode 23 and the drain electrode 43 is low impedance as shown in the truth table of FIG. (= 0). Therefore, if the bias voltage V is constant, the output voltage V 2 across the output resistor R 2 is a high level (= 1).

(第7の実施の形態)
本発明の第7の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、図11に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第1のスピン流生成領域34-1、第1のスピン流生成領域34-1の一方の端面に金属学的に接合され、スピン偏極電流を第1のスピン流生成領域34-1に注入する強磁性体からなる第1の第1主電極24-1、第1のスピン流生成領域34-1の第1の第1主電極24-1が配置された端面と対向する端面に金属学的に接合され、非磁性体の導体からなる第1の第2主電極44-1、第1のスピン流生成領域34-1の第1の第1主電極24-1が配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、強磁性体からなる磁化固定電極である第1の検出電極54-1を備える第1のスピン流変換素子14-1と;第1のスピン流生成領域34-1と第1の検出電極54-1を介して接続されるように、第1のスピン流生成領域34-1と並列に配置され、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第2のスピン流生成領域34-2、第2のスピン流生成領域34-2の一方の端面に金属学的に接合され、スピン偏極電流を第2のスピン流生成領域34-2に注入する強磁性体からなる第2の第1主電極24-2、第2のスピン流生成領域34-2の第2の第1主電極24-2が配置された端面と対向する端面に金属学的に接合され、非磁性体の導体からなる第1の第2主電極44-2、第2のスピン流生成領域34-2の第2の第1主電極24-2が配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、強磁性体からなる磁化固定電極である第2の検出電極54-2を備える第2のスピン流変換素子14-2と;第2のスピン流生成領域34-2と第2の検出電極54-2を介して接続されるように、第1のスピン流生成領域34-1,第2のスピン流生成領域34-2と並列に配置され、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第3のスピン流生成領域34-3、第3のスピン流生成領域34-3の一方の端面に金属学的に接合され、スピン偏極電流を第3のスピン流生成領域34-3に注入する強磁性体からなる第3の第1主電極24-3、第3のスピン流生成領域34-3の第3の第1主電極24-3が配置された端面と対向する端面に金属学的に接合され、非磁性体の導体からなる第1の第2主電極44-3、第3のスピン流生成領域34-3の第3の第1主電極24-3が配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、強磁性体からなる磁化固定電極である第3の検出電極54-3を備える第3のスピン流変換素子14-3と;……;第(n−1)のスピン流生成領域(図示省略)と第(n−1)の検出電極(図示省略)を介して接続されるように、第1のスピン流生成領域34-1,第2のスピン流生成領域34-2,第3のスピン流生成領域34-3,…,第(n−1)のスピン流生成領域と並列に配置され、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第nのスピン流生成領域34-n、第nのスピン流生成領域34-nの一方の端面に金属学的に接合され、スピン偏極電流を第nのスピン流生成領域34-nに注入する強磁性体からなる第nの第1主電極24-n、第nのスピン流生成領域34-nの第nの第1主電極24-nが配置された端面と対向する端面に金属学的に接合され、非磁性体の導体からなる第1の第2主電極44-n、第nのスピン流生成領域34-nの第nの第1主電極24-nが配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、強磁性体からなる磁化固定電極である第nの検出電極54-nを備える第nのスピン流変換素子14-nと;このようにタンデムに多段接続された複数のスピン流変換素子14-1〜14-nがそれぞれ備える第1主電極24-1〜24-nと第2主電極44-1〜44-nとの間にそれぞれ直流のバイアス電圧を並列的に印加する直流電源5とを備え、高強度のスピン流を発生する。
(Seventh embodiment)
As shown in FIG. 11, the spintronic device according to the seventh embodiment of the present invention is a non-magnetic bipolar device in which holes and electrons have the same carrier density and mobility, and the Hall coefficient is zero. A first rectangular parallelepiped first spin current generation region 34-1 and a first spin current generation region 34-1 which are metallurgically bonded to each other to convert a spin-polarized current into a first spin current A first first main electrode 24-1 made of a ferromagnetic material to be injected into the current generation region 34-1 and a first first main electrode 24-1 of the first spin current generation region 34-1 are disposed. A first second main electrode 44-1, which is metallurgically bonded to an end face opposite to the end face and made of a non-magnetic conductor, and a first first main electrode 24 of the first spin current generation region 34-1. -1 is a magnetized fixed electrode made of a ferromagnetic material, metallurgically bonded to the central portion of the side surface orthogonal to the end surface on which the -1 is disposed A first spin current conversion element 14-1 including a detection electrode 54-1; a first spin current generation region 34-1 and a first detection electrode 54-1. A rectangular parallelepiped first made of a non-magnetic ambipolar conductive metal, which is arranged in parallel with the spin current generation region 34-1 and has holes and electrons having the same carrier density and mobility and having a hole coefficient of zero. Metal spinally bonded to one end face of the second spin current generation region 34-2 and the second spin current generation region 34-2, and injects a spin-polarized current into the second spin current generation region 34-2. Metallurgy is formed on the end surface of the second first main electrode 24-2 made of a ferromagnetic material and the end surface of the second spin current generation region 34-2 opposite to the end surface where the second first main electrode 24-2 is disposed. The first second main electrode 44-2 made of a nonmagnetic conductor and the second first main electrode 24-2 in the second spin current generation region 34-2 A second spin current conversion element 14-2 provided with a second detection electrode 54-2 which is metallurgically bonded to a central portion of a side surface orthogonal to the arranged end face and which is a magnetization fixed electrode made of a ferromagnetic material; The first spin current generation region 34-1 and the second spin current generation region 34-2 are connected to the second spin current generation region 34-2 via the second detection electrode 54-2. The third spin current generation region 34 is a rectangular parallelepiped made of a nonmagnetic ambipolar conductive metal having holes and electrons having the same carrier density and mobility and having a hole coefficient of zero. -3, a third made of a ferromagnetic material that is metallurgically bonded to one end face of the third spin current generation region 34-3 and injects a spin-polarized current into the third spin current generation region 34-3. The first main electrode 24-3 and the end surface of the third spin current generation region 34-3 where the third first main electrode 24-3 is disposed are paired with each other. A first second main electrode 44-3 made of a non-magnetic conductor, and a third first main electrode 24-3 of the third spin current generation region 34-3. A third spin current conversion element 14-3 comprising a third detection electrode 54-3, which is metallurgically bonded to the central portion of the side surface orthogonal to the end face on which is disposed, and is a magnetization fixed electrode made of a ferromagnetic material. And the first spin current generation region so as to be connected via the (n-1) th spin current generation region (not shown) and the (n-1) th detection electrode (not shown). 34-1, the second spin current generating region 34-2, the third spin current generating region 34-3,..., The (n-1) th spin current generating region, and being arranged in parallel with the holes and electrons. Have the same carrier density and mobility, and a rectangular parallelepiped nth spin current generation region 3 made of a nonmagnetic ambipolar conductive metal having a Hall coefficient of zero -n, nth made of a ferromagnetic material that is metallurgically bonded to one end face of the nth spin current generation region 34-n and injects a spin-polarized current into the nth spin current generation region 34-n. The first main electrode 24-n and the end surface of the n-th spin current generation region 34-n opposite to the end surface where the n-th first main electrode 24-n is disposed are metallurgically bonded, The first second main electrode 44-n made of a plurality of conductors and a metal at the center of the side surface perpendicular to the end face where the n-th first main electrode 24-n of the n-th spin current generation region 34-n is disposed An n-th spin current conversion element 14-n including an n-th detection electrode 54-n which is a magnetically bonded and fixed magnetization electrode made of a ferromagnet; and a plurality of spins connected in multiple stages in this way in tandem Between the first main electrodes 24-1 to 24-n and the second main electrodes 44-1 to 44-n provided in the current conversion elements 14-1 to 14-n, respectively, And a DC power source 5 in parallel to apply a scan voltage to generate a spin current of high intensity.

図11に示すように、タンデムに多段接続された複数のスピン流変換素子14-1〜14-nは、複数のスピン流変換素子14-1〜14-nがそれぞれ備える第1主電極24-1〜24-n、スピン流生成領域34-1〜34-n、第2主電極44-1〜44-n及び検出電極54-1〜54-nがなす平面に垂直な方向(Z方向)に磁場Bが印加されるとき、第1主電極24-1〜24-nは、磁場Bに平行(Z方向)にそれぞれ磁化Mの方向を有し、検出電極54-1〜54-nは、磁化Mの方向に対して平行(Z方向)にそれぞれ磁化Mの方向を有する。 As shown in FIG. 11, the plurality of spin current conversion elements 14-1 to 14-n connected in multiple stages in tandem are provided with the first main electrode 24-- respectively provided in the plurality of spin current conversion elements 14-1 to 14-n. 1 to 24-n, spin current generation regions 34-1 to 34-n, second main electrodes 44-1 to 44-n, and directions perpendicular to the plane formed by the detection electrodes 54-1 to 54-n (Z direction) when the magnetic field B H is applied to the first main electrode 24-1 to 24-n has a direction of each magnetized M a parallel (Z-direction) to the magnetic field B H, the detection electrodes 54-1 to 54 -n has the directions of the respective magnetization M C parallel (Z-direction) with respect to the direction of the magnetization M a.

第1主電極24-1〜24-n及び検出電極54-1〜54-nは、好ましくは、共に保磁力が300mT程度以上の強磁性体から構成することができ、比抵抗が1.0×10‐6Ωm以下とすることが好ましい。第1主電極24-1〜24-n及び検出電極54-1〜54-nを構成する物質として、例えばCoxFeyNiz(x=0.2〜0.7,y=0.2〜0.4,z=0.1〜0.2)のような、コバルト・鉄・ニッケル合金等の種々の強磁性体が採用可能である。 Both the first main electrodes 24-1 to 24-n and the detection electrodes 54-1 to 54-n can be preferably made of a ferromagnetic material having a coercive force of about 300 mT or more, and a specific resistance of 1.0. × 10 −6 Ωm or less is preferable. As materials constituting the first main electrodes 24-1 to 24-n and the detection electrodes 54-1 to 54-n, for example, Co x Fe y Ni z (x = 0.2 to 0.7, y = 0.2). Various ferromagnets such as cobalt, iron, nickel alloy such as -0.4 and z = 0.1-0.2 can be used.

図11に示すように、タンデムに多段接続された複数のスピン流変換素子14-1〜14-nのそれぞれの第1主電極24-1〜24-nをカソード、それぞれの第2主電極44-1〜44-nをアノードとして、直流電源5から直流のバイアス電圧をそれぞれに印加すると、第1主電極24-1〜24-nにおいて上向き(Z方向)にスピン偏極された電子が、それぞれのスピン流生成領域34-1〜34-nに注入され、それぞれのスピン流生成領域34-1〜34-n中を第2主電極44-1〜44-nに向かう方向にそれぞれ進行する。又、それぞれの第2主電極44-1〜44-nからは正孔がスピン流生成領域34-1〜34-nにそれぞれ注入され、それぞれのスピン流生成領域34-1〜34-n中を第1主電極24-1〜24-nに向かう方向にそれぞれ進行する。   As shown in FIG. 11, the first main electrodes 24-1 to 24-n of the plurality of spin current conversion elements 14-1 to 14-n connected in multiple stages in tandem are cathodes, and the second main electrodes 44 are respectively. -1 to 44-n as anodes, when a DC bias voltage is applied from the DC power source 5 to each of the first main electrodes 24-1 to 24-n, electrons spin-polarized upward (Z direction) are It is injected into each of the spin current generation regions 34-1 to 34-n, and proceeds in the direction toward the second main electrodes 44-1 to 44-n in each of the spin current generation regions 34-1 to 34-n. . Also, holes are injected from the second main electrodes 44-1 to 44-n into the spin current generation regions 34-1 to 34-n, respectively, and in the respective spin current generation regions 34-1 to 34-n. In the direction toward the first main electrodes 24-1 to 24-n.

それぞれのスピン流生成領域34-1〜34-nにおいて、第1主電極24-1〜24-nからそれぞれ注入された上向き(Z方向)にスピン偏極された電子、第2主電極44-1〜44-nから注入された正孔は、磁場Bによるローレンツ力を受けて、それぞれ第1のスピン流変換素子14-1から第nのスピン流変換素子14-nへ向かう方向(X方向)にそれぞれ湾曲し、第1のスピン流変換素子14-1から第nのスピン流変換素子14-nへ向かう方向(X方向)にそれぞれ進行する。上向き(Z方向)に磁化Mの方向を固定したそれぞれの検出電極54-1〜54-nへ向かう正孔と上向き(Z方向)にスピン偏極された電子の数はほぼ等しいので、両キャリアが運ぶ総電荷量は0と考えることができ、それぞれのスピン流生成領域34-1〜34-n内に、それぞれ上向き(Z方向)の磁化Mの有する検出電極54-1〜54-nへ向かって、X方向にそれぞれスピン流が生成する。 In each of the spin current generation regions 34-1 to 34-n, the upward main-polarized electrons (Z direction) injected from the first main electrodes 24-1 to 24-n and second main electrodes 44- The holes injected from 1 to 44-n receive the Lorentz force by the magnetic field BH , and are directed from the first spin current conversion element 14-1 to the nth spin current conversion element 14-n (X In the direction (X direction) from the first spin current conversion element 14-1 to the nth spin current conversion element 14-n. Since the upward number of (Z direction) holes and upward (Z direction) to spin-polarized electrons toward the respective detection electrodes 54-1 to 54-n with a fixed direction of magnetization M C are approximately equal, both the total amount of charge carriers carry can be considered 0 and each of the spin current generator region 34-1 to 34-n, the detection electrodes each having the magnetization M C upward (Z direction) 54-1~54- A spin current is generated in the X direction toward n.

即ち、第1の第1主電極24-1から上向き(Z方向)にスピン偏極されて第1のスピン流生成領域34-1に注入された電子は、第1の検出電極54-1が上向き(Z方向)に磁化Mの方向を固定しているので、第1の検出電極54-1に電荷の流れを伴わずに流れ込める。このため、第2のスピン流生成領域34-2においては、第2の第1主電極24-2から上向き(Z方向)にスピン偏極されて第2のスピン流生成領域34-2に注入された電子と、第1の検出電極54-1を介して第2のスピン流生成領域34-2に注入された第1のスピン流生成領域34-1からのスピン流とが重畳される。重畳されたスピン流は、第2の検出電極54-2が上向き(Z方向)に磁化Mの方向を固定しているので、第2の検出電極54-2に電荷の流れを伴わずに流れ込める。このため、第3のスピン流生成領域34-3においては、第3の第1主電極24-3から上向き(Z方向)にスピン偏極されて第3のスピン流生成領域34-3に注入された電子と、第2の検出電極54-2を介して第3のスピン流生成領域34-3に注入された第1のスピン流生成領域34-1及び第2のスピン流生成領域34-2からのスピン流とが重畳される。重畳されたスピン流は第3の検出電極54-3に電荷の流れを伴わずに流れ込める。同様にして、第nのスピン流生成領域34-nにおいては、第nの第1主電極24-nから上向き(Z方向)にスピン偏極されて第nのスピン流生成領域34-nに注入された電子と、第(n−1)の検出電極(図示省略)を介して第nのスピン流生成領域34-nに注入された第1のスピン流生成領域34-1,第2のスピン流生成領域34-2,第3のスピン流生成領域34-3,…,第(n−1)のスピン流生成領域(図示省略)からのスピン流とが重畳される。このようにして、タンデムに多段接続された複数のスピン流生成領域34-1〜34-n内でそれぞれ発生したスピン流は、第1のスピン流変換素子14-1から第nのスピン流変換素子14-nにかけて次第に重畳され強度を増す。高強度のスピン流は、第nのスピン流変換素子14-nの第nの検出電極54-nから、図示を省略した外部装置に出力される。 That is, electrons that are spin-polarized upward (Z direction) from the first first main electrode 24-1 and injected into the first spin current generation region 34-1 are transferred to the first detection electrode 54-1. since fixing the direction of magnetization M C upward (Z direction), Nagarekomeru without the flow of charge to the first detection electrode 54-1. For this reason, in the second spin current generation region 34-2, the spin is polarized upward (Z direction) from the second first main electrode 24-2, and is injected into the second spin current generation region 34-2. The generated electrons and the spin current from the first spin current generation region 34-1 injected into the second spin current generation region 34-2 through the first detection electrode 54-1 are superimposed. Superimposed spin current, because the second detection electrode 54-2 is secured to the direction of magnetization M C upward (Z direction), without a flow of charges to the second detection electrode 54-2 It can flow. For this reason, in the third spin current generation region 34-3, the spin is polarized upward (Z direction) from the third first main electrode 24-3 and injected into the third spin current generation region 34-3. And the first spin current generation region 34-1 and the second spin current generation region 34- injected into the third spin current generation region 34-3 via the second detection electrode 54-2. The spin current from 2 is superimposed. The superimposed spin current can flow into the third detection electrode 54-3 without any charge flow. Similarly, in the n-th spin current generation region 34-n, the n-th spin current generation region 34-n is spin-polarized upward (Z direction) from the n-th first main electrode 24-n to the n-th spin current generation region 34-n. The first spin current generation region 34-1 and the second spin current generation region 34-1 injected into the nth spin current generation region 34-n via the injected electrons and the (n-1) th detection electrode (not shown). The spin currents from the spin current generation region 34-2, the third spin current generation region 34-3,..., The (n-1) th spin current generation region (not shown) are superimposed. In this manner, the spin currents generated in the plurality of spin current generation regions 34-1 to 34-n connected in multiple stages in tandem are converted from the first spin current conversion element 14-1 to the nth spin current conversion. The intensity is gradually increased by superimposing the element 14-n. The high-intensity spin current is output from the n-th detection electrode 54-n of the n-th spin current conversion element 14-n to an external device (not shown).

図11に示す第7の実施の形態に係るスピントロニクス装置においては、タンデムに多段接続された複数のスピン流変換素子14-1〜14-nがそれぞれ備える第1主電極24-1〜24-nの磁化Mと、検出電極54-1〜54-nの磁化Mとはそれぞれ互いに平行であるので、すべてのスピン流変換素子14-1〜14-nにおいてスピン蓄積は生じず、検出電極54-1〜54-nを介してスピン流をタンデムに逐次重畳して増幅し、電荷の流れを伴わずに高強度のスピン流を発生させることができる。 In the spintronic device according to the seventh embodiment shown in FIG. 11, the first main electrodes 24-1 to 24-n provided respectively in the plurality of spin current conversion elements 14-1 to 14-n connected in multiple stages in tandem. the magnetization M a of, since the magnetization M B of the detection electrodes 54-1 to 54-n are respectively parallel to one another, not occur spin accumulation in all the spin current conversion device 14-1 to 14-n, the detection electrode The spin current can be superposed and amplified in tandem sequentially through 54-1 to 54-n to generate a high-intensity spin current without any charge flow.

磁場Bは、キャリアにホール効果をもたらすと同時に、キャリアのスピン偏極を維持させることができる。それぞれの第2主電極44-1〜44-nを強磁性体からなる電極にすることによってより強度の大きなスピン流を電荷の流れを伴わずにそれぞれ発生させることもできる。 The magnetic field B H can bring about the Hall effect on the carrier and at the same time maintain the spin polarization of the carrier. By making each of the second main electrodes 44-1 to 44-n an electrode made of a ferromagnetic material, it is possible to generate a spin current having a higher intensity without a charge flow.

(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は第1〜第7の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
As described above, the present invention has been described according to the first to seventh embodiments. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.

例えば、本発明の第1の実施の形態においては、図1に示したスピン流生成領域30に設けた検出電極50により電気的にスピン流を検出したが、図15に示すように検出電極50代わりに発光ダイオードを設けて、発光ダイオードの出力光から光学的にスピン流を検出してもよい。即ち、図15に示す本発明の他の実施の形態に係るスピン注入型発光ダイオードは、GaAs基板61と、GaAs基板61の上に設けられたp型GaAsコンタクト層62と、GaAsコンタクト層62の上に設けられたp型のAlGaAsクラッド層63、AlGaAsクラッド層63の上に設けられたi型GaAs活性層64、GaAs活性層64の上に設けられたn型のAlGaAsクラッド層65、AlGaAsクラッド層65の上に設けられたn型のInGaAsコンタクト層66と、GaAsコンタクト層62に接続したp側オーミック電極(アノード電極)68と、InGaAsコンタクト層66がなす凸部の頂部に接続したスピン流変換素子(30,58,59)とを備え、スピン流変換素子(30,58,59)からInGaAsコンタクト層66へスピン流を注入する。p側オーミック電極68は、InGaAsコンタクト層66の表面からAlGaAsクラッド層65,活性層64,AlGaAsクラッド層63を貫通して設けられた溝部(凹部)の底部にp型GaAsコンタクト層62を露出させ、p型GaAsコンタクト層62とオーミック接触するように形成されている。   For example, in the first embodiment of the present invention, the spin current is electrically detected by the detection electrode 50 provided in the spin current generation region 30 shown in FIG. 1, but the detection electrode 50 is shown in FIG. Instead, a light emitting diode may be provided to detect the spin current optically from the output light of the light emitting diode. That is, the spin injection type light emitting diode according to another embodiment of the present invention shown in FIG. 15 includes a GaAs substrate 61, a p-type GaAs contact layer 62 provided on the GaAs substrate 61, and a GaAs contact layer 62. A p-type AlGaAs cladding layer 63 provided thereon, an i-type GaAs active layer 64 provided on the AlGaAs cladding layer 63, an n-type AlGaAs cladding layer 65 provided on the GaAs active layer 64, and an AlGaAs cladding. An n-type InGaAs contact layer 66 provided on the layer 65, a p-side ohmic electrode (anode electrode) 68 connected to the GaAs contact layer 62, and a spin current connected to the top of the convex portion formed by the InGaAs contact layer 66 Conversion element (30, 58, 59), and spin current conversion element (30, 58, 59) to I Injecting a spin current into the GaAs contact layer 66. The p-side ohmic electrode 68 exposes the p-type GaAs contact layer 62 at the bottom of a groove (recess) provided through the AlGaAs cladding layer 65, the active layer 64, and the AlGaAs cladding layer 63 from the surface of the InGaAs contact layer 66. The p-type GaAs contact layer 62 is in ohmic contact.

スピン流変換素子(30,58,59)は、図15に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状のスピン流生成領域30、スピン流生成領域30の端面に金属学的に接合され、スピン偏極正孔電流をスピン流生成領域30に注入する強磁性体からなる第1主電極58、スピン流生成領域30の第1主電極58が配置された端面と対向する端面に金属学的に接合され、スピン偏極電子電流をスピン流生成領域30に注入する強磁性体からなる第2主電極59を備え、スピン流生成領域30からInGaAsコンタクト層66へスピン流を注入する。このため、第1主電極58と第2主電極59との間には直流電源6が接続され、直流電源6により直流のバイアス電圧が印加される。第1主電極58と第2主電極59とはそれぞれL型形状をなし、それぞれスピン流生成領域30を介して対向するキャリア注入面と、このキャリア注入面に連続し、InGaAsコンタクト層66がなす凸部を挟む凹部の上に設けられた絶縁膜67上に設けられた台座部とを備える。このため、第1主電極58及び第2主電極59は絶縁膜67によって、InGaAsコンタクト層66とは電気的に絶縁されている。活性層64の主面に平行、且つ第1主電極58及び第2主電極59のキャリア注入面に平行方向に磁場が印加され、第1主電極58からスピン偏極された正孔が、第2主電極59からスピン偏極された電子がスピン流生成領域30に注入され、InGaAsコンタクト層66がなす凸部の頂部をなす平面に垂直にスピン流が注入される。第2主電極59とp側オーミック電極68との間には主電源4が接続され、第2主電極59はスピン注入型発光ダイオードのn側オーミック電極(カソード電極)として機能している。   As shown in FIG. 15, in the spin current conversion element (30, 58, 59), the holes and electrons have the same carrier density and mobility, and the nonmagnetic ambipolar conduction has a zero hole coefficient. A rectangular parallelepiped spin current generation region 30 made of metal, and a first main body made of a ferromagnetic material that is metallurgically bonded to the end face of the spin current generation region 30 and injects a spin-polarized hole current into the spin current generation region 30. The electrode 58 and the spin current generating region 30 are made of a ferromagnetic material that is metallurgically bonded to the end surface of the spin current generating region 30 opposite to the end surface where the first main electrode 58 is disposed and injects a spin-polarized electron current into the spin current generating region 30. A second main electrode 59 is provided, and a spin current is injected from the spin current generation region 30 into the InGaAs contact layer 66. For this reason, a DC power source 6 is connected between the first main electrode 58 and the second main electrode 59, and a DC bias voltage is applied by the DC power source 6. Each of the first main electrode 58 and the second main electrode 59 has an L shape, and is formed by an InGaAs contact layer 66 that is continuous with the carrier injection surface facing each other via the spin current generation region 30 and the carrier injection surface. And a pedestal portion provided on an insulating film 67 provided on the concave portion sandwiching the convex portion. For this reason, the first main electrode 58 and the second main electrode 59 are electrically insulated from the InGaAs contact layer 66 by the insulating film 67. A magnetic field is applied in a direction parallel to the main surface of the active layer 64 and parallel to the carrier injection surfaces of the first main electrode 58 and the second main electrode 59, and the spin-polarized holes from the first main electrode 58 The spin-polarized electrons from the two main electrodes 59 are injected into the spin current generation region 30, and the spin current is injected perpendicular to the plane that forms the top of the convex portion formed by the InGaAs contact layer 66. The main power supply 4 is connected between the second main electrode 59 and the p-side ohmic electrode 68, and the second main electrode 59 functions as an n-side ohmic electrode (cathode electrode) of the spin injection light emitting diode.

p型のAlGaAsクラッド層63は、発光領域を形成するpin接合のp側を構成する。又、p型とするために、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、亜鉛(Zn)といった不純物が添加されている。活性層64は、発光領域の中心となる領域を形成する層で故意には不純物をドープしていないGaAs層、即ち実質的に真性半導体の層である。n型のAlGaAsクラッド層65は、発光領域を形成するpin接合のn側を構成する。p型のAlGaAsクラッド層63及びn型のAlGaAsクラッド層65のバンドギャップが、活性層64のバンドギャップよりも大きくなるよう決められているので、活性層64へ注入されるキャリアの量を多くし、発光強度を向上させることができる。本発明の他の実施の形態に係るスピン注入型発光ダイオードによれば、スピン流変換素子(30,58,59)からInGaAsコンタクト層66へスピン流を注入することにより、活性層64から円偏光をもつ光を取り出すことができる。このため、スピン流変換素子(30,58,59)が注入するスピンをスピン流生成領域30に印加する磁場及び第1主電極58と第2主電極59との間に印加するバイアス電圧の少なくとも一方を制御することにより、活性層64から出力される光に含まれる光のスピン偏極度を変調することができる。スピン注入型発光ダイオードにおいては、発光に寄与するのは、活性層64へ注入される電子であるので、発光ダイオードそのものの動作としてみた場合は、純粋なスピン流ではなく、電荷の流れを伴うスピン偏極電流がその動作の主体となるが、スピン流注入素子としてのスピン流変換素子(30,58,59)の観点から本発明の趣旨は理解できるであろう。   The p-type AlGaAs cladding layer 63 constitutes the p side of the pin junction that forms the light emitting region. Further, impurities such as magnesium (Mg), beryllium (Be), and zinc (Zn) are added to make the p-type. The active layer 64 is a layer that forms a region that becomes the center of the light emitting region, and is a GaAs layer that is not intentionally doped with impurities, that is, a substantially intrinsic semiconductor layer. The n-type AlGaAs cladding layer 65 constitutes the n side of the pin junction that forms the light emitting region. Since the band gaps of the p-type AlGaAs cladding layer 63 and the n-type AlGaAs cladding layer 65 are determined to be larger than the band gap of the active layer 64, the amount of carriers injected into the active layer 64 is increased. , The emission intensity can be improved. According to the spin injection light-emitting diode according to another embodiment of the present invention, the spin current is injected from the spin current conversion element (30, 58, 59) into the InGaAs contact layer 66, so that the active layer 64 circularly polarizes. Can be extracted. For this reason, at least the magnetic field applied to the spin current generation region 30 and the bias voltage applied between the first main electrode 58 and the second main electrode 59 are injected by the spin current conversion element (30, 58, 59). By controlling one of them, the spin polarization degree of light included in the light output from the active layer 64 can be modulated. In the spin injection type light emitting diode, it is electrons injected into the active layer 64 that contribute to light emission. Therefore, when viewed as the operation of the light emitting diode itself, a spin accompanied by a flow of charge is not a pure spin current. Although the polarized current is the main component of the operation, the gist of the present invention can be understood from the viewpoint of the spin current conversion element (30, 58, 59) as the spin current injection element.

図16に示すように、本発明の更に他の実施の形態に係るスピン注入型高電子移動度トランジスタ(HEMT)は、GaAs基板71と、GaAs基板71の上に設けられたGaAsバッファ層72と、GaAsバッファ層72の上に設けられたInGaAsチャネル層73、InGaAsチャネル層73の上に設けられたAlGaAsスペーサ層74、AlGaAsスペーサ層74の上に設けられたn型のAlGaAs電子供給層75、AlGaAs電子供給層75の上にAlGaAs電子供給層75の一部を露出して部分的に設けられたn型のGaAsコンタクト層76と、GaAsコンタクト層76にオーミック接触し、強磁性体からなるドレイン電極85と、AlGaAs電子供給層75が露出した部分に設けられたゲート電極84と、InGaAsチャネル層73に接続したスピン流変換素子(30,81,83)が形成されている。InGaAsチャネル層73とAlGaAsスペーサ層74との界面に面したInGaAsチャネル層73の表面には縮退した2次元電子層が形成される。図示を省略しているが、図16の左側部分において、InGaAsチャネル層73はリッジ形状をなし、GaAsバッファ層72の一部を露出している。そして、リッジ形状をなす凸部を挟む両側の凹部には、絶縁膜86が設けられている(図16では、手前側の絶縁膜86のみが示されている。)。スピン流変換素子(30,81,83)は、AlGaAs電子供給層75の表面から,AlGaAsスペーサ層74を貫通して設けられた溝部(凹部)の底部にInGaAsチャネル層73のリッジ形状をなす凸部の頂部を露出させ、リッジ形状部分においてInGaAsチャネル層73とオーミック接触するように形成されている。スピン流変換素子(30,81,83)は、図16に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状のスピン流生成領域30、スピン流生成領域30の端面に金属学的に接合され、スピン偏極電子電流をスピン流生成領域30に注入する強磁性体からなる第1主電極81、スピン流生成領域30の第1主電極81が配置された端面と対向する端面に金属学的に接合され、スピン偏極正孔電流をスピン流生成領域30に注入する強磁性体からなる第2主電極83を備える。第1主電極81と第2主電極83との間には直流電源6により直流のバイアス電圧が印加される。第1主電極81と第2主電極83とはそれぞれL型形状をなし(図16では、手前側の第2主電極83のみがL型形状をなすことを示されている。)、それぞれスピン流生成領域30を介して対向するキャリア注入面と、このキャリア注入面に連続し、InGaAsチャネル層73がリッジ形状をなす凸部を挟む絶縁膜86上に設けられた台座部とを備える。このため、第1主電極81及び第2主電極83は、InGaAsチャネル層73のなすリッジ形状部以外の箇所では、絶縁膜86によって、InGaAsチャネル層73とは電気的に絶縁されている。InGaAsチャネル層73の主面に平行、且つ第1主電極81及び第2主電極83のキャリア注入面に平行方向に磁場が印加され、第1主電極81からスピン偏極された電子が、第2主電極83からスピン偏極された正孔がスピン流生成領域30に注入され、InGaAsチャネル層73がなすリッジ形状部の頂部をなす平面に垂直にスピン流が注入され、InGaAsチャネル層73の表面の縮退した2次元電子層中をスピンが輸送される。スピン偏極された電子を注入する第1主電極81は、スピン注入型HEMTのソース電極として機能している。   As shown in FIG. 16, a spin injection high electron mobility transistor (HEMT) according to still another embodiment of the present invention includes a GaAs substrate 71, a GaAs buffer layer 72 provided on the GaAs substrate 71, , An InGaAs channel layer 73 provided on the GaAs buffer layer 72, an AlGaAs spacer layer 74 provided on the InGaAs channel layer 73, an n-type AlGaAs electron supply layer 75 provided on the AlGaAs spacer layer 74, An n-type GaAs contact layer 76 partially exposed by exposing part of the AlGaAs electron supply layer 75 on the AlGaAs electron supply layer 75, and a drain made of a ferromagnetic material in ohmic contact with the GaAs contact layer 76 The electrode 85 and the gate electrode 84 provided on the exposed portion of the AlGaAs electron supply layer 75 , Spin current conversion element connected to the InGaAs channel layer 73 (30,81,83) are formed. A degenerated two-dimensional electron layer is formed on the surface of the InGaAs channel layer 73 facing the interface between the InGaAs channel layer 73 and the AlGaAs spacer layer 74. Although not shown, the InGaAs channel layer 73 has a ridge shape in the left part of FIG. 16, and a part of the GaAs buffer layer 72 is exposed. An insulating film 86 is provided in the concave portions on both sides sandwiching the ridge-shaped convex portion (in FIG. 16, only the insulating film 86 on the near side is shown). The spin current conversion element (30, 81, 83) has a ridge-shaped ridge shape of the InGaAs channel layer 73 from the surface of the AlGaAs electron supply layer 75 to the bottom of a groove (concave) provided through the AlGaAs spacer layer 74. The top of the portion is exposed, and is formed in ohmic contact with the InGaAs channel layer 73 in the ridge shape portion. As shown in FIG. 16, in the spin current conversion element (30, 81, 83), holes and electrons have the same carrier density and mobility, and the nonmagnetic ambipolar conduction has a hole coefficient of zero. A rectangular parallelepiped spin current generation region 30 made of metal, and a first main electrode made of a ferromagnetic material that is metallurgically bonded to an end face of the spin current generation region 30 and injects a spin-polarized electron current into the spin current generation region 30 81, made of a ferromagnetic material that is metallurgically bonded to the end surface of the spin current generation region 30 opposite to the end surface where the first main electrode 81 is disposed, and injects a spin-polarized hole current into the spin current generation region 30. A second main electrode 83 is provided. A DC bias voltage is applied between the first main electrode 81 and the second main electrode 83 by the DC power supply 6. The first main electrode 81 and the second main electrode 83 each have an L shape (in FIG. 16, only the second main electrode 83 on the near side is shown to have an L shape), and each spin. A carrier injection surface facing through the flow generation region 30 and a pedestal portion provided on an insulating film 86 which is continuous with the carrier injection surface and sandwiches a ridge-shaped convex portion of the InGaAs channel layer 73 are provided. For this reason, the first main electrode 81 and the second main electrode 83 are electrically insulated from the InGaAs channel layer 73 by the insulating film 86 at portions other than the ridge-shaped portion formed by the InGaAs channel layer 73. A magnetic field is applied in a direction parallel to the main surface of the InGaAs channel layer 73 and parallel to the carrier injection surfaces of the first main electrode 81 and the second main electrode 83, and spin-polarized electrons from the first main electrode 81 2 Spin-polarized holes from the main electrode 83 are injected into the spin current generation region 30, and a spin current is injected perpendicular to the plane that forms the top of the ridge-shaped portion formed by the InGaAs channel layer 73. Spins are transported in the degenerate two-dimensional electron layer on the surface. The first main electrode 81 that injects spin-polarized electrons functions as a source electrode of the spin injection HEMT.

本発明の更に他の実施の形態に係るスピン注入型HEMTにおいて、縮退した2次元電子層中をスピンが輸送される時間をスピン反転時間(スピン緩和時間)より小さくなるような寸法に選べば、スピンの弾道輸送をすることができる。縮退した2次元電子層中に上向きスピンの電子を注入した場合、一定の寿命時間の間はスピン偏極が緩和されずに、縮退した2次元電子層中を通り抜け、スピンがドレイン電極85に到達する。ドレイン電極85の磁化が上向きに設定されていれば、上向きスピンの電子はInGaAsチャネル層73からドレイン電極85進入することができる。これがドレイン電流となる。一方、ドレイン電極85が下向きに磁化しておいた場合は、縮退した2次元電子層を走ってきた上向きスピンの電子は、ドレイン電極85に入ることを阻止される。   In a spin injection HEMT according to still another embodiment of the present invention, if a time during which spins are transported in a degenerated two-dimensional electron layer is selected to be smaller than a spin inversion time (spin relaxation time), Can perform ballistic transport of spin. When electrons of upward spin are injected into the degenerated two-dimensional electron layer, the spin polarization passes through the degenerated two-dimensional electron layer without being relaxed for a certain lifetime, and the spin reaches the drain electrode 85. To do. If the magnetization of the drain electrode 85 is set upward, upward spin electrons can enter the drain electrode 85 from the InGaAs channel layer 73. This is the drain current. On the other hand, when the drain electrode 85 is magnetized downward, the upward spin electrons that have run through the degenerated two-dimensional electron layer are prevented from entering the drain electrode 85.

又、InGaAsチャネル層73が比較的長ければ、縮退した2次元電子層に注入されたスピン偏極電子は,界面電界に起因するスピン軌道相互作用によって、縮退した2次元電子層を輸送中にスピンの向きが変わり得る。スピン流変換素子(30,81,83)から上向きスピンの電子を注入して、注入された電子のスピンがπだけ変化すると輸送が抑えられ、2πだけ回転して元に戻ると輸送できる。スピンの回転角は、ゲート電極84ゲート電極84の電圧によっても制御することが可能である。   Also, if the InGaAs channel layer 73 is relatively long, spin-polarized electrons injected into the degenerated two-dimensional electron layer are spun during transport through the degenerated two-dimensional electron layer due to the spin-orbit interaction caused by the interface electric field. The direction of can change. When electrons of upward spin are injected from the spin current conversion element (30, 81, 83) and the spin of the injected electrons changes by π, the transport is suppressed, and when the spin is rotated by 2π and returned to its original state, it can be transported. The rotation angle of the spin can also be controlled by the voltage of the gate electrode 84 and the gate electrode 84.

このため、スピン流変換素子(30,81,83)が注入するスピンをスピン流生成領域30に印加する磁場及び第1主電極81と第2主電極83との間に印加するバイアス電圧の少なくとも一方を制御することにより、縮退した2次元電子層中を輸送され、ドレイン電極85から取り出されるスピン偏極度を変調することができる。スピン注入型HEMTにおいては、ゲート電極84を介した増幅に寄与するのは、縮退した2次元電子層中を輸送される電子であるので、HEMTそのものの動作としてみた場合は、純粋なスピン流ではなく、電荷の流れを伴うスピン偏極電流がその動作の主体となるが、縮退した2次元電子層中へスピンを注入するスピン流注入素子としてのスピン流変換素子(30,81,83)の観点から本発明の趣旨は理解できるであろう。   Therefore, at least the magnetic field applied to the spin current generation region 30 by the spin injected by the spin current conversion element (30, 81, 83) and the bias voltage applied between the first main electrode 81 and the second main electrode 83 are at least. By controlling one of them, the degree of spin polarization transported through the degenerated two-dimensional electron layer and taken out from the drain electrode 85 can be modulated. In the spin injection type HEMT, it is the electrons transported in the degenerated two-dimensional electron layer that contribute to the amplification through the gate electrode 84. Therefore, when viewed as the operation of the HEMT itself, a pure spin current is not possible. The spin-polarized current accompanying the flow of charge is the main component of the operation, but the spin-current conversion element (30, 81, 83) as a spin-current injection element that injects the spin into the degenerated two-dimensional electron layer. The gist of the present invention can be understood from the viewpoint.

図17に示す本発明の更に他の実施の形態に係る論理集積回路は、図16に示したスピン注入型HEMTにおいて、InGaAsチャネル層73に第1のスピン流変換素子(30a,81a,83a)及び第2のスピン流変換素子(30b,81b,83b)とを並列接続した構成に対応する。図16に示したのと同様に、InGaAsチャネル層73とAlGaAsスペーサ層74との界面に面したInGaAsチャネル層73の表面には縮退した2次元電子層が形成され、図17の左側部分において、InGaAsチャネル層73はリッジ形状をなし、GaAsバッファ層72の一部を露出し、リッジ形状をなす凸部を挟む両側の凹部には、絶縁膜86が設けられている。第1のスピン流変換素子(30a,81a,83a)及び第2のスピン流変換素子(30b,81b,83b)は、AlGaAs電子供給層75の表面から,AlGaAsスペーサ層74を貫通して設けられた溝部(凹部)の底部にInGaAsチャネル層73のリッジ形状をなす凸部の頂部を露出させ、リッジ形状部分においてInGaAsチャネル層73と並列にオーミック接触するように形成されている。   The logic integrated circuit according to still another embodiment of the present invention shown in FIG. 17 includes a first spin current conversion element (30a, 81a, 83a) in the InGaAs channel layer 73 in the spin injection HEMT shown in FIG. This corresponds to a configuration in which the second spin current conversion elements (30b, 81b, 83b) are connected in parallel. As shown in FIG. 16, a degenerated two-dimensional electron layer is formed on the surface of the InGaAs channel layer 73 facing the interface between the InGaAs channel layer 73 and the AlGaAs spacer layer 74. In the left part of FIG. The InGaAs channel layer 73 has a ridge shape, a part of the GaAs buffer layer 72 is exposed, and an insulating film 86 is provided in the concave portions on both sides sandwiching the convex portion having the ridge shape. The first spin current conversion elements (30a, 81a, 83a) and the second spin current conversion elements (30b, 81b, 83b) are provided from the surface of the AlGaAs electron supply layer 75 through the AlGaAs spacer layer 74. The top of the convex portion forming the ridge shape of the InGaAs channel layer 73 is exposed at the bottom of the groove portion (concave portion), and is formed in ohmic contact with the InGaAs channel layer 73 in parallel at the ridge shape portion.

第1のスピン流変換素子(30a,81a,83a)は、図17に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第1のスピン流生成領域30a、第1のスピン流生成領域30aの端面に金属学的に接合され、スピン偏極電子電流を第1のスピン流生成領域30aに注入する強磁性体からなる第1の第1主電極81a、第1のスピン流生成領域30aの第1の第1主電極81aが配置された端面と対向する端面に金属学的に接合され、スピン偏極正孔電流を第1のスピン流生成領域30aに注入する強磁性体からなる第1の第2主電極83aを備える。第1の第1主電極81aと第1の第2主電極83aとの間には第1の直流電源6aにより直流のバイアス電圧が印加される。第1の第1主電極81aと第1の第2主電極83aとはそれぞれL型形状をなし(図17では、手前側の第1の第2主電極83aのみがL型形状をなすことを示されている。)、それぞれ第1のスピン流生成領域30aを介して対向するキャリア注入面と、このキャリア注入面に連続し、InGaAsチャネル層73がリッジ形状をなす凸部を挟む絶縁膜86上に設けられた台座部とを備える。このため、第1の第1主電極81a及び第1の第2主電極83aは、InGaAsチャネル層73のなすリッジ形状部以外の箇所では、絶縁膜86によって、InGaAsチャネル層73とは電気的に絶縁されている。第2のスピン流変換素子(30b,81b,83b)は、図17に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第2のスピン流生成領域30b、第2のスピン流生成領域30bの端面に金属学的に接合され、スピン偏極電子電流を第2のスピン流生成領域30bに注入する強磁性体からなる第2の第1主電極81b、第2のスピン流生成領域30bの第2の第1主電極81bが配置された端面と対向する端面に金属学的に接合され、スピン偏極正孔電流を第2のスピン流生成領域30bに注入する強磁性体からなる第2の第2主電極83bを備える。第2の第1主電極81bと第2の第2主電極83bとの間には第2の直流電源6bにより直流のバイアス電圧が印加される。第2の第1主電極81bと第2の第2主電極83bとはそれぞれL型形状をなし、それぞれ第2のスピン流生成領域30bを介して対向するキャリア注入面と、このキャリア注入面に連続し、InGaAsチャネル層73がリッジ形状をなす凸部を挟む絶縁膜86上に設けられた台座部とを備える。このため、第2の第1主電極81b及び第2の第2主電極83bは、InGaAsチャネル層73のなすリッジ形状部以外の箇所では、絶縁膜86によって、InGaAsチャネル層73とは電気的に絶縁されている。   As shown in FIG. 17, the first spin current conversion element (30a, 81a, 83a) has non-magnetic non-magnetic properties in which holes and electrons have the same carrier density and mobility, and the Hall coefficient is zero. A rectangular parallelepiped first spin current generation region 30a made of an ambipolar conductive metal is metallurgically bonded to the end face of the first spin current generation region 30a, and spin-polarized electron current is converted into the first spin current generation region 30a. The first first main electrode 81a made of a ferromagnetic material injected into the first spin electrode and the end surface of the first spin current generation region 30a opposite to the end surface where the first main electrode 81a is disposed are metallurgically bonded. And a first second main electrode 83a made of a ferromagnetic material that injects a spin-polarized hole current into the first spin current generation region 30a. A DC bias voltage is applied between the first first main electrode 81a and the first second main electrode 83a by the first DC power supply 6a. Each of the first first main electrode 81a and the first second main electrode 83a has an L shape (in FIG. 17, only the first second main electrode 83a on the near side has an L shape). Insulating film 86 that sandwiches a carrier injection surface that faces each other via first spin current generation region 30a, and a convex portion in which InGaAs channel layer 73 forms a ridge shape, which is continuous with this carrier injection surface. And a pedestal portion provided on the top. For this reason, the first first main electrode 81 a and the first second main electrode 83 a are electrically separated from the InGaAs channel layer 73 by the insulating film 86 at locations other than the ridge-shaped portion formed by the InGaAs channel layer 73. Insulated. As shown in FIG. 17, the second spin current conversion element (30b, 81b, 83b) is a non-magnetic element in which holes and electrons have the same carrier density and mobility, and the Hall coefficient is zero. A rectangular parallelepiped second spin current generation region 30b made of an ambipolar conductive metal is metallurgically bonded to the end face of the second spin current generation region 30b, and spin-polarized electron current is converted into the second spin current generation region 30b. The second first main electrode 81b made of a ferromagnetic material to be injected into the first spin electrode and the end surface of the second spin current generation region 30b opposite to the end surface where the second main main electrode 81b is disposed are metallurgically bonded. And a second second main electrode 83b made of a ferromagnetic material that injects a spin-polarized hole current into the second spin current generation region 30b. A DC bias voltage is applied between the second first main electrode 81b and the second second main electrode 83b by the second DC power supply 6b. Each of the second first main electrode 81b and the second second main electrode 83b has an L shape, and the carrier injection surface that faces each other via the second spin current generation region 30b, and the carrier injection surface The InGaAs channel layer 73 is continuously provided with a pedestal portion provided on the insulating film 86 sandwiching the ridge-shaped convex portion. For this reason, the second first main electrode 81b and the second second main electrode 83b are electrically separated from the InGaAs channel layer 73 by the insulating film 86 at locations other than the ridge-shaped portion formed by the InGaAs channel layer 73. Insulated.

磁場B,Bは、InGaAsチャネル層73の主面に平行、且つ第1の第1主電極81a、第1の第2主電極83a、第2の第1主電極81b及び第2の第2主電極83bのそれぞれのキャリア注入面に平行方向において、互いに反対方向に印加される。磁場B印加時には、第1の第1主電極81aからスピン偏極された電子が、第1の第2主電極83aからスピン偏極された正孔が第1のスピン流生成領域30aに注入され、InGaAsチャネル層73がなすリッジ形状部の頂部をなす平面に垂直にスピン流が注入され、InGaAsチャネル層73の表面の縮退した2次元電子層中をスピンが輸送される。磁場Bと反対方向の磁場B印加時には、第2の第1主電極81bからスピン偏極された電子が、第2の第2主電極83bからスピン偏極された正孔が第2のスピン流生成領域30bに注入され、InGaAsチャネル層73がなすリッジ形状部の頂部をなす平面に垂直にスピン流が注入され、InGaAsチャネル層73の表面の縮退した2次元電子層中をスピンが輸送される。スピン偏極された電子を注入する第1の第1主電極81aは、論理集積回路の第1のソース電極として機能し、スピン偏極された電子を注入する第2の第1主電極81bは、論理集積回路の第2のソース電極として機能している。 The magnetic fields B 1 and B 2 are parallel to the main surface of the InGaAs channel layer 73, and the first first main electrode 81a, the first second main electrode 83a, the second first main electrode 81b, and the second second The two main electrodes 83b are applied in directions opposite to each other in a direction parallel to the respective carrier injection surfaces. During field B 1 is applied, electrons spin-polarized from the first of the first main electrode 81a and holes that are spin-polarized from the first second main electrode 83a is injected into the first spin current generation region 30a Then, a spin current is injected perpendicularly to the plane forming the top of the ridge-shaped portion formed by the InGaAs channel layer 73, and the spin is transported through the degenerated two-dimensional electron layer on the surface of the InGaAs channel layer 73. When the magnetic field B 2 is applied in the direction opposite to the magnetic field B 1 , the spin-polarized electrons from the second first main electrode 81 b are converted to the spin-polarized holes from the second second main electrode 83 b. The spin current is injected into the spin current generating region 30b and injected perpendicularly to the plane forming the top of the ridge-shaped portion formed by the InGaAs channel layer 73, and the spin transports in the degenerated two-dimensional electron layer on the surface of the InGaAs channel layer 73. Is done. The first first main electrode 81a for injecting spin-polarized electrons functions as the first source electrode of the logic integrated circuit, and the second first main electrode 81b for injecting spin-polarized electrons is , Functioning as the second source electrode of the logic integrated circuit.

このため、磁場B印加時に第1のスピン流変換素子(30a,81a,83a)からスピンを第1のスピン流生成領域30aに注入し、磁場B印加時には第2のスピン流変換素子(30b,81b,83b)から第2のスピン流生成領域30bにスピンを注入することにより、第1のソース電極又は第2のソース電極を選択することが可能で、縮退した2次元電子層中を輸送されるスピン偏極電流の入力信号を切り替えることが可能である。 Therefore, the first spin current conversion element during field B 1 is applied (30a, 81a, 83a) by injecting a spin into the first spin current generation region 30a from the magnetic field B 2 when applying the second spin current conversion device ( 30b, 81b, 83b) can be used to select the first source electrode or the second source electrode by injecting spins into the second spin current generation region 30b. It is possible to switch the input signal of the spin-polarized current being transported.

その他詳細な説明を省略するが、本発明のスピン流変換素子は、スピントルク型磁気抵抗RAM、スピントランスファートルク型発振素子、スピンゼーベック効果素子、スピン流−熱流変換による冷却素子等にも適用可能であることは、上記の説明から理解できるであろう。   Although not described in detail, the spin current conversion element of the present invention is applicable to a spin torque type magnetoresistive RAM, a spin transfer torque type oscillation element, a spin Seebeck effect element, a cooling element by spin current-heat flow conversion, and the like. It can be understood from the above description.

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。   As described above, the present invention naturally includes various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.

4…主電源
5,6…直流電源
7…交流電源
9…ロックイン増幅器
10,11,12,13,14-1〜14-n…スピン流変換素子
20,22,23,24-1〜24-n,58、81,81a,81b…第1主電極
30,34-1〜34-n…スピン流生成領域
40,43,44-1〜44-n,59,83,83a,83b…第2主電極
50,53,54-1〜54-n…検出電極
51a…第1の検出電極
51b…第2の検出電極
61,71…GaAs基板
62…コンタクト層
63…AlGaAsクラッド層
64…活性層
65…AlGaAsクラッド層
66…InGaAsコンタクト層
67,86…絶縁膜
68…p側オーミック電極
72…GaAsバッファ層
73…InGaAsチャネル層
74…AlGaAsスペーサ層
75…AlGaAs電子供給層
76…GaAsコンタクト層
84…ゲート電極
85…ドレイン電極
4 ... Main power supply 5,6 ... DC power supply 7 ... AC power supply 9 ... Lock-in amplifier 10,11,12,13,14-1-14-n ... Spin current conversion element 20,22,23,24-1-24 -n, 58, 81, 81a, 81b ... first main electrodes 30, 34-1 to 34-n ... spin current generation regions 40, 43, 44-1 to 44-n, 59, 83, 83a, 83b ... 2 main electrodes 50, 53, 54-1 to 54-n ... detection electrode 51a ... first detection electrode 51b ... second detection electrode 61, 71 ... GaAs substrate 62 ... contact layer 63 ... AlGaAs cladding layer 64 ... active layer 65 ... AlGaAs cladding layer 66 ... InGaAs contact layer 67,86 ... insulating film 68 ... p-side ohmic electrode 72 ... GaAs buffer layer 73 ... InGaAs channel layer 74 ... AlGaAs spacer layer 75 ... AlGaAs electron supply 76 ... GaAs contact layer 84 ... gate electrode 85 ... drain electrode

Claims (8)

互いに平行に対向する第1端面及び第2端面を有し、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、
前記第1端面に設けられ、スピン偏極された第1導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する強磁性体からなる第1主電極と、
前記第2端面に設けられ、第2導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する第2主電極
とを備え、前記第1端面に垂直な面に直交する方向の磁場のローレンツ力により、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアとを同一方向に輸送されるように偏向して、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、前記スピン流生成領域においてスピン流を得ることを特徴とするスピントロニクス装置。
A first end face and a second end face facing each other in parallel, the first conductivity type carrier and the second conductivity type carrier have the same carrier density and mobility, and the non-magnetic Hall coefficient is zero A spin current generation region composed of a bipolar conductive metal;
A first main electrode made of a ferromagnetic material provided on the first end face and injecting a spin-polarized first conductivity type carrier into the spin current generation region;
A second main electrode provided on the second end face and injecting a second conductivity type carrier into the spin current generation region, and by a Lorentz force of a magnetic field in a direction perpendicular to a plane perpendicular to the first end face. The first conductivity type carrier and the second conductivity type carrier are deflected so as to be transported in the same direction, and the charges of the first conductivity type carrier and the second conductivity type carrier cancel each other. A spintronics device characterized by that.
前記両極性伝導金属が水素化イットリウム(YHx(1.7<x<2.1)からなることを特徴とする請求項1に記載のスピントロニクス装置。 Spintronic device according to claim 1, wherein the ambipolar conductivity metal is characterized by comprising the hydrogenated yttrium (YH x (1.7 <x < 2.1). 前記同一方向に直交する前記スピン流生成領域の出力側面に設けられた、強磁性体からなる検出電極を更に備え、前記第1主電極と前記検出電極との間の抵抗測定により、前記スピン流の存在を検出することを特徴とする請求項1又は2に記載のスピントロニクス装置。   A detection electrode made of a ferromagnetic material is further provided on an output side surface of the spin current generation region orthogonal to the same direction, and the spin current is measured by measuring a resistance between the first main electrode and the detection electrode. The spintronic device according to claim 1, wherein the presence of the spintronic device is detected. 前記第2主電極が強磁性体からなり、前記第2主電極からスピン偏極された第2導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のスピントロニクス装置。   The second main electrode is made of a ferromagnetic material, and the second conductivity type carrier spin-polarized from the second main electrode is injected into the spin current generation region. The spintronic device according to item 1. 互いに平行に対向する第1端面及び第2端面を有し、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、
前記第1端面に設けられ、スピン偏極された第1導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する強磁性体からなる第1主電極と、
前記第2端面に設けられ、第2導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する第2主電極と、
前記第1端面に直交する前記スピン流生成領域の出力側面に設けられた、強磁性体からなる検出電極
とを備え、前記第1端面に垂直な面に直交する方向の磁場のローレンツ力により、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアとを共に前記出力側面に向かう方向に輸送されるように偏向して、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、前記検出電極の磁化の方向を入力信号、前記第1主電極と前記検出電極との間の抵抗を出力信号とすることを特徴とする論理演算素子。
A first end face and a second end face facing each other in parallel, the first conductivity type carrier and the second conductivity type carrier have the same carrier density and mobility, and the non-magnetic Hall coefficient is zero A spin current generation region composed of a bipolar conductive metal;
A first main electrode made of a ferromagnetic material provided on the first end face and injecting a spin-polarized first conductivity type carrier into the spin current generation region;
A second main electrode provided on the second end face and injecting a second conductivity type carrier into the spin current generation region;
A detection electrode made of a ferromagnetic material provided on an output side surface of the spin current generation region perpendicular to the first end surface, and by a Lorentz force of a magnetic field in a direction perpendicular to the surface perpendicular to the first end surface, The first conductivity type carrier and the second conductivity type carrier are both deflected so as to be transported in the direction toward the output side surface, and the charges of the first conductivity type carrier and the second conductivity type carrier cancel each other, and the detection is performed. A logic operation element, wherein the direction of magnetization of the electrode is an input signal, and the resistance between the first main electrode and the detection electrode is an output signal.
前記第2主電極が強磁性体からなり、前記第2主電極からスピン偏極された第2導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入し、前記第2主電極の磁化の方向を第2の入力信号とすることを特徴とする請求項5に記載の論理演算素子。   The second main electrode is made of a ferromagnetic material, and a second conductivity type carrier spin-polarized from the second main electrode is injected into the spin current generation region, and the magnetization direction of the second main electrode is set to a second direction. The logic operation element according to claim 5, wherein the logic operation element is an input signal of 互いに平行に対向する第1端面及び第2端面を有し、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、
前記第1端面に設けられ、スピン偏極された第1導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する強磁性体からなる第1主電極と、
前記第2端面に設けられ、スピン偏極された第2導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する強磁性体からなる第2主電極と、
前記第1端面に直交する前記スピン流生成領域の出力側面に設けられた、強磁性体からなる検出電極
とを備え、前記第1端面に垂直な面に直交する方向の磁場のローレンツ力により、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアとを共に前記出力側面に向かう方向に輸送されるように偏向して、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、前記第1主電極の磁化の方向を第1の入力信号、前記第2主電極の磁化の方向を第2の入力信号、前記第1主電極と前記第2主電極との間の抵抗を出力信号とすることを特徴とする論理演算素子。
A first end face and a second end face facing each other in parallel, the first conductivity type carrier and the second conductivity type carrier have the same carrier density and mobility, and the non-magnetic Hall coefficient is zero A spin current generation region composed of a bipolar conductive metal;
A first main electrode made of a ferromagnetic material provided on the first end face and injecting a spin-polarized first conductivity type carrier into the spin current generation region;
A second main electrode made of a ferromagnetic material provided on the second end face and injecting spin-polarized second conductivity type carriers into the spin current generation region;
A detection electrode made of a ferromagnetic material provided on an output side surface of the spin current generation region perpendicular to the first end surface, and by a Lorentz force of a magnetic field in a direction perpendicular to the surface perpendicular to the first end surface, The first conductivity type carrier and the second conductivity type carrier are both deflected so as to be transported in the direction toward the output side surface, and the charges of the first conductivity type carrier and the second conductivity type carrier are offset to each other. The direction of magnetization of one main electrode is a first input signal, the direction of magnetization of the second main electrode is a second input signal, and the resistance between the first main electrode and the second main electrode is an output signal. A logic operation element characterized by:
前記両極性伝導金属が水素化イットリウム(YHx(1.7<x<2.1)からなることを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載の論理演算素子。 The logic operation element according to claim 5, wherein the ambipolar conductive metal is yttrium hydride (YH x (1.7 <x <2.1).
JP2009234395A 2009-10-08 2009-10-08 Spintronics device and logic operation element Expired - Fee Related JP5551912B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009234395A JP5551912B2 (en) 2009-10-08 2009-10-08 Spintronics device and logic operation element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009234395A JP5551912B2 (en) 2009-10-08 2009-10-08 Spintronics device and logic operation element

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2011082388A true JP2011082388A (en) 2011-04-21
JP5551912B2 JP5551912B2 (en) 2014-07-16

Family

ID=44076125

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009234395A Expired - Fee Related JP5551912B2 (en) 2009-10-08 2009-10-08 Spintronics device and logic operation element

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5551912B2 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012099720A (en) * 2010-11-04 2012-05-24 Saitama Univ Spintronics apparatus and logical operation element
WO2013027712A1 (en) * 2011-08-22 2013-02-28 独立行政法人科学技術振興機構 Rectifying device, transistor, and rectifying method
WO2013027479A1 (en) * 2011-08-23 2013-02-28 独立行政法人産業技術総合研究所 Electric ferromagnetic resonance excitation method and magnetic function element employing same
JP2013134995A (en) * 2011-12-22 2013-07-08 Saitama Univ Spin polarization measuring method and measuring meter, logical operation gate using the same and signal encryption decryption method
WO2024028239A1 (en) * 2022-08-04 2024-02-08 Thales Spin injector light emission system

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011004891A1 (en) * 2009-07-09 2011-01-13 国立大学法人九州大学 Magnetization-reversing apparatus, memory element, and magnetic field-generating apparatus

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011004891A1 (en) * 2009-07-09 2011-01-13 国立大学法人九州大学 Magnetization-reversing apparatus, memory element, and magnetic field-generating apparatus

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012099720A (en) * 2010-11-04 2012-05-24 Saitama Univ Spintronics apparatus and logical operation element
WO2013027712A1 (en) * 2011-08-22 2013-02-28 独立行政法人科学技術振興機構 Rectifying device, transistor, and rectifying method
JP5260810B1 (en) * 2011-08-22 2013-08-14 独立行政法人科学技術振興機構 Rectifying device, transistor and rectifying method
CN103718303A (en) * 2011-08-22 2014-04-09 独立行政法人科学技术振兴机构 Rectifying device, transistor, and rectifying method
CN103718303B (en) * 2011-08-22 2015-05-20 独立行政法人科学技术振兴机构 Rectifying device, transistor, and rectifying method
US9450176B2 (en) 2011-08-22 2016-09-20 Japan Science And Technology Agency Rectifying device, transistor, and rectifying method
WO2013027479A1 (en) * 2011-08-23 2013-02-28 独立行政法人産業技術総合研究所 Electric ferromagnetic resonance excitation method and magnetic function element employing same
JP2013045840A (en) * 2011-08-23 2013-03-04 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Electrical field ferromagnetic resonance excitation method and magnetic functional element using the same
US9460769B2 (en) 2011-08-23 2016-10-04 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology Electric field ferromagnetic resonance excitation method and magnetic function element employing same
JP2013134995A (en) * 2011-12-22 2013-07-08 Saitama Univ Spin polarization measuring method and measuring meter, logical operation gate using the same and signal encryption decryption method
WO2024028239A1 (en) * 2022-08-04 2024-02-08 Thales Spin injector light emission system
FR3138748A1 (en) * 2022-08-04 2024-02-09 Thales Spin injector light emitting system

Also Published As

Publication number Publication date
JP5551912B2 (en) 2014-07-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9400316B2 (en) Electric current-spin current conversion device
US7755929B2 (en) Spin-injection device and magnetic device using spin-injection device
Bader et al. Spintronics
US7203090B2 (en) High output nonvolatile magnetic memory
JP4058344B2 (en) Semiconductor device with semiconductor contact
US20180254773A1 (en) Random number generator, random number generation device, neuromorphic computer, and quantum computer
US10622048B2 (en) Method for stabilizing spin element and method for manufacturing spin element
JP5551912B2 (en) Spintronics device and logic operation element
JP5398921B2 (en) Spin device, operating method thereof, and manufacturing method thereof
US5962905A (en) Magnetoresistive element
Grenet et al. Spin injection in silicon at zero magnetic field
van't Erve et al. Information processing with pure spin currents in silicon: Spin injection, extraction, manipulation, and detection
JP5601976B2 (en) Spintronics device and logic operation element
US20190267541A1 (en) Method for stabilizing spin element and method for manufacturing spin element
Schmidt et al. Dilute magnetic semiconductors in spin-polarized electronics
Sheng et al. Nonlinear transport in tunnel magnetoresistance systems
Schmidt et al. Electrical spin injection into semiconductors
Schmidt et al. Electrical injection of spin polarized electrons into GaAs
Bhuyan A Modern Review of the Spintronic Technology: Fundamentals, Materials, Devices, Circuits, Challenges, and Current Research Trends
JP2011029573A (en) Tunnel magnetoresistive element, and spin transistor
Kountouriotis Spin Transport in Silicon Nanowires with an Intrinsic Axial Doping Gradient
Ma et al. Detection of spin injection efficiency by tunneling magnetoresistance
Johnson et al. Magnetic field controlled reconfigurable logic gates with integrated nanomagnets
Miah Photo-induced Anomalous Hall Effect and the Electrical Detection of Spin Current in Nonmagnetic Semiconductors
SAURABH Theory and simulation of magnetism and spin transport in semiconductors

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20121001

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20121004

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20131022

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140128

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140320

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20140513

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140523

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5551912

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees