JP3284239B2 - スピン偏極伝導電子生成方法および半導体素子 - Google Patents
スピン偏極伝導電子生成方法および半導体素子Info
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- H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
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-
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子におい
てスピン偏極伝導電子を生成する方法に関する。本発明
は、さらに、スピン偏極伝導電子を含む半導体素子に関
する。
てスピン偏極伝導電子を生成する方法に関する。本発明
は、さらに、スピン偏極伝導電子を含む半導体素子に関
する。
【０００２】
【従来の技術】半導体内のスピン偏極伝導電子の生成
は、半導体電子材料にスピン自由度を新たに加えるもの
であり、将来のデバイス応用に向けての研究が広く進め
られている。このようなスピン偏極伝導電子を含む半導
体素子は、スピン電界効果トランジスタ、スピン偏極走
査型トンネル顕微鏡、スピンメモリ素子、円偏光素子等
への応用が期待されている。
は、半導体電子材料にスピン自由度を新たに加えるもの
であり、将来のデバイス応用に向けての研究が広く進め
られている。このようなスピン偏極伝導電子を含む半導
体素子は、スピン電界効果トランジスタ、スピン偏極走
査型トンネル顕微鏡、スピンメモリ素子、円偏光素子等
への応用が期待されている。
【０００３】従来のスピン偏極した電子を生成する技術
としては、金属磁性体電極を用いてスピン偏極電子を半
導体中に注入する方法がある。しかしながらこの方法で
は、金属／半導体界面により生じるショットキ障壁のた
め、半導体中のスピン偏極は僅かに変化するのみであっ
た。
としては、金属磁性体電極を用いてスピン偏極電子を半
導体中に注入する方法がある。しかしながらこの方法で
は、金属／半導体界面により生じるショットキ障壁のた
め、半導体中のスピン偏極は僅かに変化するのみであっ
た。
【０００４】また、半導体を構成する原子の一部を磁性
原子に置き換え、半導体自身を磁性半導体にして電子に
偏極を生じさせることも可能であるが、磁性スピンと電
子の相互作用が小さいため、スピン偏極は僅かにしか生
じない。一方このような磁性半導体の正孔と磁性スピン
の相互作用は大きく、正孔に大きなスピン偏極を与える
ことは可能であるが、スピン−軌道相互作用のためスピ
ン緩和時間が極めて高速であり、エレクトロニクス分野
への応用が困難であった。
原子に置き換え、半導体自身を磁性半導体にして電子に
偏極を生じさせることも可能であるが、磁性スピンと電
子の相互作用が小さいため、スピン偏極は僅かにしか生
じない。一方このような磁性半導体の正孔と磁性スピン
の相互作用は大きく、正孔に大きなスピン偏極を与える
ことは可能であるが、スピン−軌道相互作用のためスピ
ン緩和時間が極めて高速であり、エレクトロニクス分野
への応用が困難であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の目
的は、半導体中の電子（伝導帯中のキャリヤ）のスピン
偏極を生成するのに有効な方法を提供することである。
また、本発明の他の目的は、この方法において生成した
スピン偏極伝導電子を含む半導体素子を提供することで
ある。
的は、半導体中の電子（伝導帯中のキャリヤ）のスピン
偏極を生成するのに有効な方法を提供することである。
また、本発明の他の目的は、この方法において生成した
スピン偏極伝導電子を含む半導体素子を提供することで
ある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明によるスピン偏極
伝導電子生成方法は、強磁性半導体から成る層と、前記
強磁性半導体とタイプIIのバンド配置を有する非磁性半
導体から成る層とを、前記強磁性半導体層の価電子帯の
自発的なスピン分裂が、前記非磁性半導体層の伝導帯の
スピン分裂を誘発するように設ける工程を具えることを
特徴とする。半導体同士の接合において、一方の価電子
帯がエネルギバンド図で他方の伝導帯の上に位置する配
置をタイプIIのバンド配置と呼ぶ。強磁性体半導体層
と、この強磁性体半導体層とタイプIIのバンド配置を有
する非磁性半導体層とを接合すれば、強磁性半導体の価
電子帯の自発的なスピン分裂が、隣接する非磁性半導体
の伝導帯のスピン分裂を誘発し、非磁性半導体中の電子
のスピン偏極が生成される。
伝導電子生成方法は、強磁性半導体から成る層と、前記
強磁性半導体とタイプIIのバンド配置を有する非磁性半
導体から成る層とを、前記強磁性半導体層の価電子帯の
自発的なスピン分裂が、前記非磁性半導体層の伝導帯の
スピン分裂を誘発するように設ける工程を具えることを
特徴とする。半導体同士の接合において、一方の価電子
帯がエネルギバンド図で他方の伝導帯の上に位置する配
置をタイプIIのバンド配置と呼ぶ。強磁性体半導体層
と、この強磁性体半導体層とタイプIIのバンド配置を有
する非磁性半導体層とを接合すれば、強磁性半導体の価
電子帯の自発的なスピン分裂が、隣接する非磁性半導体
の伝導帯のスピン分裂を誘発し、非磁性半導体中の電子
のスピン偏極が生成される。
【０００７】本発明による半導体素子は、強磁性半導体
から成る層と、前記強磁性半導体とタイプIIのバンド配
置を有する非磁性半導体から成る層とを具え、これらの
層を、前記強磁性半導体層の価電子帯の自発的なスピン
分裂が、前記非磁性半導体層の伝導帯のスピン分裂を誘
発するように設けたことを特徴とする。
から成る層と、前記強磁性半導体とタイプIIのバンド配
置を有する非磁性半導体から成る層とを具え、これらの
層を、前記強磁性半導体層の価電子帯の自発的なスピン
分裂が、前記非磁性半導体層の伝導帯のスピン分裂を誘
発するように設けたことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明によるスピン偏極伝導電子
生成方法は、磁性半導体の価電子帯が自発的にスピン分
裂を誘発することを利用し、それに隣接する非磁性体の
伝導帯のスピン分裂を誘発し、半導体中の電子のスピン
偏極を生成する。半導体同士の接合において、一方の半
導体の伝導帯と他方の半導体の価電子帯が重なるものを
タイプIIの接合と呼ぶ。以下、本発明による方法におけ
る非磁性体と強磁性体のタイプIIの接合を、通常の非磁
性半導体同士のタイプIIの接合と比較して説明する。
生成方法は、磁性半導体の価電子帯が自発的にスピン分
裂を誘発することを利用し、それに隣接する非磁性体の
伝導帯のスピン分裂を誘発し、半導体中の電子のスピン
偏極を生成する。半導体同士の接合において、一方の半
導体の伝導帯と他方の半導体の価電子帯が重なるものを
タイプIIの接合と呼ぶ。以下、本発明による方法におけ
る非磁性体と強磁性体のタイプIIの接合を、通常の非磁
性半導体同士のタイプIIの接合と比較して説明する。
【０００９】図１は、通常の半導体へテロ接合を説明す
る図である。この接合において、材料１１を、例えば、
ＧａＳｂ等の非磁性半導体とし、材料１２を、材料１１
とタイプIIのバンド配列をとる非磁性半導体の、例え
ば、ＩｎＡｓ等とする。この図の左下に示すグラフは、
材料１の価電子帯の状態密度を表し、縦軸をエネルギＥ
（ｅＶ）とし、横軸を波数ｋ（ｍ−１）とする。右上に
示すグラフは、材料２の伝導帯の状態密度を表し、縦軸
をエネルギＥ（ｅＶ）とし、横軸を波数ｋ（ｍ− １）と
する。中央に示すグラフは、この接合におけるエネルギ
バンドの様子を表し、縦軸をエネルギＥ（ｅＶ）とし、
横軸を位置ｘ（ｍ）とする。このような接合において、
材料１１の価電子帯の状態密度はスピン分裂せず、した
がって、材料１２の伝導帯にスピン偏極は生じない。
る図である。この接合において、材料１１を、例えば、
ＧａＳｂ等の非磁性半導体とし、材料１２を、材料１１
とタイプIIのバンド配列をとる非磁性半導体の、例え
ば、ＩｎＡｓ等とする。この図の左下に示すグラフは、
材料１の価電子帯の状態密度を表し、縦軸をエネルギＥ
（ｅＶ）とし、横軸を波数ｋ（ｍ−１）とする。右上に
示すグラフは、材料２の伝導帯の状態密度を表し、縦軸
をエネルギＥ（ｅＶ）とし、横軸を波数ｋ（ｍ− １）と
する。中央に示すグラフは、この接合におけるエネルギ
バンドの様子を表し、縦軸をエネルギＥ（ｅＶ）とし、
横軸を位置ｘ（ｍ）とする。このような接合において、
材料１１の価電子帯の状態密度はスピン分裂せず、した
がって、材料１２の伝導帯にスピン偏極は生じない。
【００１０】図２は、本発明によるスピン偏極伝導電子
生成方法を実現する接合を説明する線図である。この接
合において、材料２１を、例えば、（Ｇａ，Ｍｎ）Ｓｂ
等の強磁性半導体とし、材料２２を、材料２１とタイプ
IIのバンド配列をとる非磁性半導体の、例えば、ＩｎＡ
ｓ等とする。図１と同様に、この図の左下に示すグラフ
は、材料２１の価電子帯の状態密度を表し、縦軸をエネ
ルギＥ（ｅＶ）とし、横軸を波数ｋ（ｍ−１）とする。
右上に示すグラフは、材料２２の伝導帯の状態密度を表
し、縦軸をエネルギＥ（ｅＶ）とし、横軸を波数ｋ（ｍ
−１）とする。中央に示すグラフは、この接合における
エネルギバンドの様子を表し、縦軸をエネルギＥ（ｅ
Ｖ）とし、横軸を位置ｘ（ｍ）とする。このような接合
において、材料２１は、磁性スピンと正孔の交換相互作
用により自発的に価電子帯がスピン分裂する。材料２２
の伝導帯の状態密度は、材料２１の価電子帯とエネルギ
的に共鳴し、近接効果およびスピン注入効果によりスピ
ン分裂が生じ、スピン偏極した電子が生成される。
生成方法を実現する接合を説明する線図である。この接
合において、材料２１を、例えば、（Ｇａ，Ｍｎ）Ｓｂ
等の強磁性半導体とし、材料２２を、材料２１とタイプ
IIのバンド配列をとる非磁性半導体の、例えば、ＩｎＡ
ｓ等とする。図１と同様に、この図の左下に示すグラフ
は、材料２１の価電子帯の状態密度を表し、縦軸をエネ
ルギＥ（ｅＶ）とし、横軸を波数ｋ（ｍ−１）とする。
右上に示すグラフは、材料２２の伝導帯の状態密度を表
し、縦軸をエネルギＥ（ｅＶ）とし、横軸を波数ｋ（ｍ
−１）とする。中央に示すグラフは、この接合における
エネルギバンドの様子を表し、縦軸をエネルギＥ（ｅ
Ｖ）とし、横軸を位置ｘ（ｍ）とする。このような接合
において、材料２１は、磁性スピンと正孔の交換相互作
用により自発的に価電子帯がスピン分裂する。材料２２
の伝導帯の状態密度は、材料２１の価電子帯とエネルギ
的に共鳴し、近接効果およびスピン注入効果によりスピ
ン分裂が生じ、スピン偏極した電子が生成される。
【００１１】図３は、本発明による磁性半導体／半導体
スピン素子３０の構造を示す線図である。半導体基板３
２上に薄膜作成方法で成長した電子素子、光素子構造３
４の上に、非磁性半導体層３６を介して強磁性半導体層
３８を成長させる。非磁性半導体層３６を、例えば、Ｉ
ｎＡｓ等とする。強磁性半導体層３８を、例えば、（Ｇ
ａ，Ｍｎ）Ｓｂ層等とするが、Ｍｎ以外にも磁性元素と
してその他の遷移金属元素、希土類元素を用いることも
できる。これらの半導体素子結晶を、分子線エピタキシ
法などの薄膜結晶作成法で作成する。（Ｇａ，Ｍｎ）Ｓ
ｂ層の成長は、５５０℃前後の高温でも成長可能である
が、III−Ｖ族半導体中の磁性元素の固溶度が低いた
め、極端に非平衡な低温（例えば、２５０℃前後）での
成長が有利である。このような構造にすれば、図２の参
照と共に説明したように非磁性半導体層３６の電子にス
ピン偏極が生じるため、電子素子、光素子に電子スピン
という新たな自由度を導入することができるようにな
る。また、この図の実施形態においては、電子素子、光
素子構造３４と、非磁性半導体層３６とは、別個の半導
体であるが、例えば、スピン偏極電界トランジスタ等に
用いた場合には非磁性半導体層３６自身が素子材料にな
り、この場合、電子素子、光素子構造３４は必要なくな
る。
スピン素子３０の構造を示す線図である。半導体基板３
２上に薄膜作成方法で成長した電子素子、光素子構造３
４の上に、非磁性半導体層３６を介して強磁性半導体層
３８を成長させる。非磁性半導体層３６を、例えば、Ｉ
ｎＡｓ等とする。強磁性半導体層３８を、例えば、（Ｇ
ａ，Ｍｎ）Ｓｂ層等とするが、Ｍｎ以外にも磁性元素と
してその他の遷移金属元素、希土類元素を用いることも
できる。これらの半導体素子結晶を、分子線エピタキシ
法などの薄膜結晶作成法で作成する。（Ｇａ，Ｍｎ）Ｓ
ｂ層の成長は、５５０℃前後の高温でも成長可能である
が、III−Ｖ族半導体中の磁性元素の固溶度が低いた
め、極端に非平衡な低温（例えば、２５０℃前後）での
成長が有利である。このような構造にすれば、図２の参
照と共に説明したように非磁性半導体層３６の電子にス
ピン偏極が生じるため、電子素子、光素子に電子スピン
という新たな自由度を導入することができるようにな
る。また、この図の実施形態においては、電子素子、光
素子構造３４と、非磁性半導体層３６とは、別個の半導
体であるが、例えば、スピン偏極電界トランジスタ等に
用いた場合には非磁性半導体層３６自身が素子材料にな
り、この場合、電子素子、光素子構造３４は必要なくな
る。
【００１２】図４は、本発明の一実施形態である円偏光
発光素子４０の構造を示す斜視図である。この円偏光発
光素子４０は、図３の半導体スピン素子と同様の半導体
基板４２、非磁性半導体層４６および強磁性半導体層４
８を具え、さらに発光素子構造４４を具える。この場
合、光とスピンの相互作用により、光の偏向を制御する
ことができるようになる。
発光素子４０の構造を示す斜視図である。この円偏光発
光素子４０は、図３の半導体スピン素子と同様の半導体
基板４２、非磁性半導体層４６および強磁性半導体層４
８を具え、さらに発光素子構造４４を具える。この場
合、光とスピンの相互作用により、光の偏向を制御する
ことができるようになる。
【００１３】また、この構造を電極とするスピン偏極電
子注入電極として応用できる。図５は、本発明の他の実
施形態であるスピン偏極電界効果トランジスタの構造を
示す断面図である。このスピン偏極電界効果トランジス
タ５０は、一般的な電界効果トランジスタ構造を有する
が、上述したような接合された非磁性半導体層５１およ
び強磁性半導体層５２をスピン偏極電子注入電極として
有する。スピン偏極電界効果トランジスタについては、
S.Datta and B.Das,App.Phys.Lett.56,665(1990)を参照
されたい。
子注入電極として応用できる。図５は、本発明の他の実
施形態であるスピン偏極電界効果トランジスタの構造を
示す断面図である。このスピン偏極電界効果トランジス
タ５０は、一般的な電界効果トランジスタ構造を有する
が、上述したような接合された非磁性半導体層５１およ
び強磁性半導体層５２をスピン偏極電子注入電極として
有する。スピン偏極電界効果トランジスタについては、
S.Datta and B.Das,App.Phys.Lett.56,665(1990)を参照
されたい。
【００１４】図６は、本発明によるスピン偏極伝導電子
生成方法を実現する他の接合を説明する図１および図２
と同様の図である。材料６１を、例えば、（Ｇａ，Ｍ
ｎ）Ｓｂ等の強磁性半導体とし、材料６２を、例えば、
ＧａＳｂ、（Ａｌ，Ｇａ）Ｓｂ等の非磁性半導体とし、
材料６３を、例えば、ＩｎＡｓ等の非磁性半導体とす
る。ここで、材料６１および６２は、伝導帯同士、価電
子帯同士、エネルギギャップが部分的に重なるタイプＩ
の接合であり、材料６２および６３は、タイプIIの接合
である。このような場合、強磁性体の材料６１の価電子
帯は自発的にスピン分裂し、材料６２の価電子帯の状態
密度は、材料６１の価電子帯とエネルギ的に共鳴し、近
接効果およびスピン注入効果によりスピン分裂が生じ、
スピン偏極した正孔が生成される。さらに、材料６３の
伝導帯の状態密度は、材料６２の価電子帯とエネルギ的
に共鳴し、近接効果およびスピン注入効果によりスピン
分裂が生じ、スピン偏極した電子が生成される。
生成方法を実現する他の接合を説明する図１および図２
と同様の図である。材料６１を、例えば、（Ｇａ，Ｍ
ｎ）Ｓｂ等の強磁性半導体とし、材料６２を、例えば、
ＧａＳｂ、（Ａｌ，Ｇａ）Ｓｂ等の非磁性半導体とし、
材料６３を、例えば、ＩｎＡｓ等の非磁性半導体とす
る。ここで、材料６１および６２は、伝導帯同士、価電
子帯同士、エネルギギャップが部分的に重なるタイプＩ
の接合であり、材料６２および６３は、タイプIIの接合
である。このような場合、強磁性体の材料６１の価電子
帯は自発的にスピン分裂し、材料６２の価電子帯の状態
密度は、材料６１の価電子帯とエネルギ的に共鳴し、近
接効果およびスピン注入効果によりスピン分裂が生じ、
スピン偏極した正孔が生成される。さらに、材料６３の
伝導帯の状態密度は、材料６２の価電子帯とエネルギ的
に共鳴し、近接効果およびスピン注入効果によりスピン
分裂が生じ、スピン偏極した電子が生成される。
【００１５】図７は、本発明によるスピン偏極伝導電子
生成方法を実現するさらに他の接合を説明する図１、図
２および図６と同様の図である。材料７１を、例えば、
（Ｇａ，Ｍｎ）Ｓｂ等の強磁性半導体とし、材料７２
を、例えば、ＡｌＳｂ等とし、材料７３を、例えば、Ｉ
ｎＡｓ等の非磁性半導体とする。この場合、材料７２
が、材料７１の価電子帯と材料７３の伝導帯の間のエネ
ルギ障壁となっている。このような場合でも、トンネル
効果により材料７１および７３間でキャリヤの往来が生
じるため、図２に示す場合に比べて近接効果は小さくな
るが、スピン注入効果によって材料７３の伝導帯の状態
密度にスピン分裂が生じ、スピン偏極した電子が生成さ
れる。
生成方法を実現するさらに他の接合を説明する図１、図
２および図６と同様の図である。材料７１を、例えば、
（Ｇａ，Ｍｎ）Ｓｂ等の強磁性半導体とし、材料７２
を、例えば、ＡｌＳｂ等とし、材料７３を、例えば、Ｉ
ｎＡｓ等の非磁性半導体とする。この場合、材料７２
が、材料７１の価電子帯と材料７３の伝導帯の間のエネ
ルギ障壁となっている。このような場合でも、トンネル
効果により材料７１および７３間でキャリヤの往来が生
じるため、図２に示す場合に比べて近接効果は小さくな
るが、スピン注入効果によって材料７３の伝導帯の状態
密度にスピン分裂が生じ、スピン偏極した電子が生成さ
れる。
【００１６】
【発明の効果】本発明によれば、伝導帯がスピン分極し
ているため大きくスピン偏極した伝導電子が生成され
る。またこのような構造でスピン注入電極を作製した場
合においても半導体／半導体の接合であるため、スピン
注入電極として利用できる。
ているため大きくスピン偏極した伝導電子が生成され
る。またこのような構造でスピン注入電極を作製した場
合においても半導体／半導体の接合であるため、スピン
注入電極として利用できる。
【図１】 従来の半導体へテロ結合を説明する図であ
る。
る。
【図２】 本発明によるスピン偏極伝導電子生成方法を
実現する接合を説明する図である。
実現する接合を説明する図である。
【図３】 本発明による磁性半導体／半導体スピン素子
の構造を示す線図である。
の構造を示す線図である。
【図４】 本発明による円偏光発光素子の斜視図であ
る。
る。
【図５】 本発明によるスピン偏極電界効果トランジス
タの断面図である。
タの断面図である。
【図６】 本発明によるスピン偏極伝導電子生成方法を
実現する他の接合を説明する図である。
実現する他の接合を説明する図である。
【図７】 本発明によるスピン偏極伝導電子生成方法を
実現するさらに他の接合を説明する図である。
実現するさらに他の接合を説明する図である。
２１、６１、７１ 強磁性半導体材料 １１、１２、２２、６２、６３、７２、７３ 非磁性体
半導体材料 ３０ 磁性半導体／半導体スピン素子 ３２、４２ 半導体基板 ３４ 電子素子、光素子構造 ３６、４６、５６ 非磁性半導体層 ３８、４８、５８ 強磁性半導体層 ４０ 円偏光発光素子 ４４ 発光素子構造 ５０ スピン偏極電界効果トランジスタ
半導体材料 ３０ 磁性半導体／半導体スピン素子 ３２、４２ 半導体基板 ３４ 電子素子、光素子構造 ３６、４６、５６ 非磁性半導体層 ３８、４８、５８ 強磁性半導体層 ４０ 円偏光発光素子 ４４ 発光素子構造 ５０ スピン偏極電界効果トランジスタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開2000−22237（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−260725（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−320633（ＪＰ，Ａ) マテリアルインテグレーション，Ｖｏ ｌ．13，Ｎｏ．12（2000），ｐｐ．35− 38 日本応用磁気学会研究会資料，Ｖｏ ｌ．109ｔｈ（1999），ｐｐ．１−４ Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．, 1990年 ２月12日，Ｖｏｌ．56，Ｎｏ. ７，ｐｐ．665−667 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 43/00 H01L 29/82 H01L 43/08 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (4)
- 【請求項１】 強磁性半導体から成る層と、前記強磁性
半導体とタイプIIのバンド配置を有する非磁性半導体か
ら成る層とを、前記強磁性半導体層の価電子帯の自発的
なスピン分裂が、前記非磁性半導体層の伝導帯のスピン
分裂を誘発するように設ける工程を具えることを特徴と
するスピン偏極伝導電子生成方法。 - 【請求項２】 強磁性半導体から成る層と、前記強磁性
半導体とタイプIIのバンド配置を有する非磁性半導体か
ら成る層とを具え、これらの層を、前記強磁性半導体層
の価電子帯の自発的なスピン分裂が、前記非磁性半導体
層の伝導帯のスピン分裂を誘発するように設けたことを
特徴とする半導体素子。 - 【請求項３】 請求項２に記載の半導体素子において、
該半導体素子を円偏光発光素子としたことを特徴とする
半導体素子。 - 【請求項４】 請求項２に記載の半導体素子において、
該半導体素子をスピン偏極電界効果トランジスタとした
ことを特徴とする半導体素子。
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| US09/799,722 US6482729B2 (en) | 2000-03-07 | 2001-03-07 | Method of generating spin-polarized conduction electron and semiconductor device |
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| JP2000061721A JP3284239B2 (ja) | 2000-03-07 | 2000-03-07 | スピン偏極伝導電子生成方法および半導体素子 |
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- 2001-03-07 US US09/799,722 patent/US6482729B2/en not_active Expired - Fee Related
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