JP3621367B2 - Spin transistor - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スピントランジスタに関し、より詳細には、高密度磁気記録読み出し用磁気ヘッドなどの磁気センサーや、磁性RAM(MRAM:Magnetic Random Access Memory)あるいは磁性ROM(MROM:Magnetic Read Only Memory)などの高密度記憶素子、光検出素子などとして用いて好適なスピントランジスタに関する。
【0002】
【従来の技術】
磁気記録の高密度化および高速化は、磁気記録媒体の改良と並んで、磁気記録装置の進歩、なかでも磁気記録の書き込みおよび読み出しに用いられる磁気ヘッドの進歩に負うところが多い。例えば、磁気記録媒体の小型化、大容量化に伴って、磁気記録媒体と読み出し用磁気ヘッドとの相対速度は小さくなるが、その場合でも大きな出力が取り出せる新しいタイプの読み出し用磁気ヘッドとして、巨大磁気抵抗効果ヘッド(Giant MagnetoResistance effect:GMRヘッド)の開発が進められている。
【0003】
GMRヘッドは従来のMR(MagnetoResistance effect)ヘッドと比較して、磁気抵抗変化率(MR比)が大きく優れた特性を持っている。そして、最近、より優れた特性が期待されるトンネル接合型のGMRヘッドが急速に注目を集めている。
【0004】
従来の磁気記録媒体は、磁気ディスクすなわちファイルメモリとして機能し、その情報はいったんコンピュータ本体の半導体メモリ(DRAM、SRAM)に読み込まれた後利用される。半導体メモリは、多くの優れた特性を持っているが、記憶保持のために大量の電力を消費するという大きな欠点も持っている。近年、記憶保持のための電力が必要ないフラッシュメモリやFRAM(Ferroelectric Memory:誘電体メモリ)などの開発が進められているが、いずれも書き換え回数が限定されるという大きな欠点を持っている。
【0005】
一方で、実質的に書き換えが無限に繰り返し可能な磁気メモリ(MRAM)の開発も始められているが、その実現のためには大きなMR比を示す材料あるいはデバイスの開発が望まれている。従来のスピンバルブ膜に比べてより大きなMR比を示す素子として、「磁性体トンネル接合素子」が注目され、それらを用いて、あるいはそれらとMOS型トランジスタとを組み合わせることによって磁気ヘッドや磁気メモリを形成する試みが進められている。
【0006】
さらに磁性体トンネル接合素子に比べさらに優れた特性が期待されるスピントランジスタやスピンバルブトランジスタの開発が始められている。このようなスピントランジスタは、例えば、S. Datta らにより Appl. Phys. Lett., 56, (1990) p. 665に開示されている。
【発明が解決しようとする課題】
図12は、従来のスピントランジスタの要部構成を表す模式図であり、同図(a)はその断面構成、同図(b)はその平面構成を表す模式図である。
【0007】
このトランジスタは、ソースSの一部をなす強磁性体Fe1と、ドレインDの一部をなす強磁性体Fe2と、これらの間に設けられた半導体層に形成される2次元電子ガスチャネル部Cと、をその基本構成としている。
【0008】
ソース側の強磁性体F1の磁化方向に応じて、スピン偏極した電子がチャネル部Cに注入される。一方、ドレイン電流の大きさは、ドレインDの一部を構成する強磁性体F2の磁化の向きにより変化する。そして、強磁性体F2が強磁性体F1と同じ向きに磁化されている場合にはチャネル電流は流れやすく、一方逆向きに磁化されている場合にはチャネル電流は流れにくい。
【0009】
すなわち、強磁性体Fe1の磁化方向に対する強磁性体Fe2の磁化の方向に応じてチャネル電流が変化するという特性を有する。従って、磁気センサなどの用途に用いることが可能である。
【0010】
しかしながら、図12に例示したような従来のスピントランジスタは、強磁性体Fe2磁化の向きによる電流変化が小さく、このために、高速読み出しが困難であるという大きな欠点を有していた。
【0011】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、ドレイン電流の磁化依存性が大きく高速読み出しに優れたスピントランジスタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第1のスピントランジスタは、
スピン偏極した電子を生成するスピン偏極部を有するソース部と、磁性体を有するドレイン部と、
前記ソース部から前記ドレイン部に電子を導くチャネル部と、
を備え、
前記チャネル部は前記ドレイン部に向かって収束する形状を有し、前記チャネル部と前記ドレイン部との間にポイントコンタクトが設けられたことを特徴とする。
【0012】
また、本発明の第2のスピントランジスタは、
スピン偏極した電子を生成するスピン偏極部を有するソース部と、
磁性体を有するドレイン部と、
前記ソース部と前記ドレイン部との間に設けられた半導体層と、
前記半導体層に電圧を印加することにより、前記ソース部から前記ドレイン部に電子を導くチャネル部を形成するゲート電極と、
を備え、
前記ゲート電極の形状にくびれ部を与えることにより前記チャネル部と前記ドレイン部との間にポイントコンタクトが形成されることを特徴とする。
【0013】
上記第1及び第2のトランジスタの構成によれば、ポイントコンタクトを設けることにより、高いMR比が得られ、従来よりも磁気検出感度や読み出し速度を大幅に改善することが可能となる。
【0014】
なおここで、「ポイントコンタクト」とは、スピン偏極した電子に対して量子効果が生ずるサイズに限定された接合部のことをいい、そのサイズすなわち電子の流れる方向に対して垂直な方向の長さは、電子の波長程度あるいはそれ以下であるものとする。
【0015】
例えば、チャネル部が半導体により形成され、その半導体中における電子の波長が10nmの場合には、ポイントコンタクトのサイズは、10nmあるいはそれ以下とする。
【0016】
また、上記第2のスピントランジスタの場合、ゲート電極を加工することにより確実且つ容易に微細なポイントコンタクトを形成することができる。
【0017】
また、前記スピン偏極部は、円偏光した光の照射によりスピン偏極した電子を励起する化合物半導体からなるものとすれば、偏光検出素子として用いることができる。
【0018】
また、前記スピン偏極部及び前記磁性体の少なくともいずれかは、一定の結晶方位に配向した鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)あるいはこれらを含有する合金からなるものとすれば、強い磁化が容易に得られ、高いMR比が得られ、感度が高く、動作の安定したスピントランジスタを実現できる。
【0019】
また、前記ソース部は、トンネル接合を有するものとすれば、チャネル部に供給する電子のスピン偏極率をさらに高くすることが可能となる。
【0020】
また、前記スピン偏極部及び前記磁性体の少なくともいずれかは、化合物磁性半導体からなるものとすれば、チャネル部などを構成する半導体層との整合性が良く、エピタキシャル成長なども容易となるために、スピン偏極した電子の注入効率を高くすることができる。
【0021】
また、前記チャネル部は、半導体中に形成される2次元電子ガス領域であるものとすれば、チャネル部において散乱により電子がスピン情報を喪失する確率を下げることができる。
本発明者の検討の結果、図12に例示した従来のスピントランジスタにおいて、磁化の方向の変化に伴うドレイン電流の変化が小さい原因として、次の3つの要因が挙げられることが判明した。
【0022】
まず第1の要因は、磁化の向きに依存するチャネル部CとドレインDとの間の界面抵抗が、磁化の向きに依存しないチャネル部Cの抵抗に比較して小さいことである。すなわち、ドレイン電流の大きさはソース/ドレイン間に印加した電圧とソース/ドレイン間の抵抗値とによって決まるが、後者はソース/チャネルおよびチャネル/ドレイン間の界面抵抗とチャネル部の抵抗の和になっており強磁性体F2磁化の向きに依存するのはチャネル/ドレイン間の界面抵抗のみである。
【0023】
すなわち、ドレイン電流の磁化方向依存性(素子のMR(Magneto−resistance)比)を増大させるためには、チャネル/ドレイン間の界面抵抗を増大させることが必要である。
【0024】
素子のMR比が小さい第2の要因は、界面抵抗の磁化方向依存性そのものが小さいことである。従って、何らかの手段により、磁化方向依存性を増大させることが必要である。
【0025】
第3の要因は、ソースからチャネルに注入される電子のスピン偏極率が小さいことである。素子のMR比は、チャネルを伝導し、ドレインに流れる電子のスピン偏極率とドレインの強磁性体のスピン偏極率とに依存する。従って、何らかの方法で、スピン偏極率の高い電子をソースからチャネルに注入することによって、よりMR比を高めることができる。
【0026】
以上の考察の結果、本発明者は、チャネル/ドレイン接合部に半導体/金属接合からなる「ポイントコンタクト」を採用することにより、上述の第1と第2の要因に起因した従来型スピントランジスタの欠点を取り除くことに想到した。
【0027】
また、MR比が小さい第3の要因を解決するには、チャネルにスピン偏極率の高い電子を注入する必要がある。本発明のスピントランジスタでは、ソースを化合物半導体で構成し、円偏光により化合物半導体内に励起されたスピン偏極電子をチャネル領域に注入することによりチャネル領域にスピン偏極率の高い電子を注入することができる。あるいは、ソースを磁性トンネル接合とし、磁性トンネル接合の上部電極と下部電極間に電圧を印加することによっても、スピン偏極率の高い電子をチャネルに注入することができる。
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【0028】
図1は、本発明の実施の形態にかかるスピントランジスタの要部構成を表す模式図である。すなわち、同図(a)はその断面構成、同図(b)はその平面構成をそれぞれ表す。
【0029】
本発明のトランジスタは、ソースSの一部をなすスピン偏極部F1と、ドレインDの一部をなす強磁性体F2と、これらの間に設けられた半導体層に形成されるチャネル部Cと、をその基本構成としている。
【0030】
ソースSに設けられたスピン偏極部F1は、スピン偏極した電子を生成する作用を有し、例えば、図12に表したような強磁性体からなるものの他にも、後に詳述するように、化合物磁性半導体や、円偏光によりスピン偏極する電子を生成する化合物半導体なども包含される。
【0031】
ソースSからチャネル部Cへのスピン偏極電子の注入は、図12に例示した従来のトランジスタと同様である。すなわち、ソース側のスピン偏極部F1の磁化方向に応じて、スピン偏極した電子がチャネル部Cに注入される。そして、ドレインDの一部を構成する強磁性体F2がスピン偏極部F1と同じ向きに磁化されている場合にはチャネル電流は流れやすく、一方逆向きに磁化されている場合にはチャネル電流は流れにくい。
【0032】
そして、本発明のトランジスタの場合、チャネル部CとドレインDとの間にポイントコンタクトQPが形成されている。ポイントコンタクトQPは、強磁性体に対して量子サイズ効果が生じうる程度の微細なコンタクトを設けたものである。つまり、本発明のトランジスタの場合、ドレインDの一部を構成する強磁性体F2に対して、このような微細なコンタクトを形成してチャネル部Cから電子を与えるようにする。
【0033】
以下、本発明のおける「ポイントコンタクト」の概念についてまず説明する。
【0034】
図2は、磁性体により構成されたポイントコンタクト素子の参考例を表す概念図である。
【0035】
この素子は、上下の磁性電極110、120の間にくびれ部Nをもつ2端子素子であり、上下電極の磁化の向きにより抵抗が変化する。抵抗の変化率として数100%というきわめて大きな値がこれまでに報告されているが、大きな変化率を示す理由は、量子化された電子のバリスティック伝導に伴う現象として説明されている。ポイントコンタクトは、大きな抵抗変化率を示す優れた素子であるが、それを作製するには電子の波長程度のくびれ部Nを作製することが必要となる。金属中の伝導電子の波長は1nm程度であるが、幅1nm程度のくびれ部を再現性良く作製することは、現在の技術では困難なため、この素子は基礎研究の段階に留まっている。
【0036】
なお、このようなポイントコンタクト素子を開示したものとしては、2つの針状のニッケル(Ni)を付き合わせた磁気微小接点、あるいは2つのマグネタイトを接触させた磁気微小接点が、それぞれ、文献 N. Garcia, M. Munoz, and Y. −W. Zhao, Physical Review Letters, vol.82, p2923 (1999) およびJ. J. Versluijs, M. A. Bari and J. M. D. Coey, Physical Review Letters, vol.87, p26601 −1 (2001 ) に開示されている。
【0037】
再び図1に戻って説明を続けると、このようなポイントコンタクトQPをスピントランジスタに設けることにより、ドレインDの一部を構成する強磁性体F2磁化の向きによる電流変化を飛躍的に大きくし、高速読み出しも可能となる。
【0038】
ポイントコンタクトQPは、例えば、ゲート電極Gの形状を図1のチャネル部Cの形状とすることにより実現できる。すなわち、図1(b)のチャネル部Cに対応してドレインDに向かって収束する形状のゲート電極Gを形成する。
【0039】
このようなゲート電極Gにゲート電圧を印加すると、チャネルとなる半導体層のうち、ゲート電極Gの形状に対応した領域において空乏化あるいは反転が生じ、チャネル部Cが形成される。このようにして形成されたチャネル部Cのポテンシャル障壁により、電子をくびれ部、すなわちポイントコンタクトQPに閉じ込めることができる。半導体内の電子の波長は10nm以上あるので、くびれ部すなわちポイントコンタクトQPの幅も数10nm程度でよい。このようなサイズの、ポイントコンタクトQPの形成は現在の技術で十分可能である。
【0040】
また、ポイントコンタクトQPは、チャネルを構成する半導体層をパターニングすることによっても実現することができる。例えば、チャネル部Cとなりうる半導体層をエッチングして図1(b)のチャネル部Cの形状のメサを形成すれば良い。
【0041】
あるいは、半導体層に不活性化元素を選択的に注入することにより、図1(b)のチャネル部Cの部分のみを活性領域として残存させてもよい。この場合の不活性化元素としては、例えば、水素、プロトン、酸素、鉄、及びその他各種の元素を半導体材料に応じて適宜選択して用いることができる。
【0042】
本発明によれば、チャネル部CとドレインDとの間にポイントコンタクトQPを設けることにより、チャネル部CとドレインDとの間のコンタクト抵抗がチャネル抵抗に比較して著しく増大し、かつコンタクト抵抗の磁化依存性が上昇するため、ドレイン電流の磁化方向依存性(MR比)を飛躍的に高めることができる。
【0043】
このようなスピントランジスタを用いて図3のようなメモリセルを構成すれば、新しいタイプの固体磁気メモリ(MRAM)として利用することが原理的には可能である。
【0044】
例えば、スピン偏極部F1として用いる強磁性体の磁化の向きを固定しておき、(図3では省略されている)書き込み電流により生ずる磁場によって強磁性体F2の磁化をF1の磁化と平行あるいは反平行に遷移させることにより、バイナリ−コードを書き込むことができる。コードの読み出しは、トランジスタのゲートGに繋がったワード線WLに電圧を印加してトランジスタをオン(ON)状態にし、ビット線BLを流れるドレイン電流を観測することにより強磁性体F2磁化の向きを検出することができる。
【0045】
磁性トンネル接合を用いた従来のMRAMでは、1ビットの構成要素として1個のトンネル接合と1個のトランジスタが必要であったのに対して、図3に表したメモリセルの場合、1個のトランジスタのみで1ビットを構成することができる。
【0046】
しかも、本発明によれば、スピントランジスタの強磁性体F2磁化の向きによる電流変化が大きく、このために、高速読み出しも可能となる点でさらに有利である。
【0047】
一方、ドレイン電流の磁化方向依存性(MR比)は、ソースSからチャネル部Cに注入される電子のスピン偏極率にも依存する。鉄(Fe)、コバルト(Co)などの強磁性体中に存在する伝導電子のスピン偏極率は高々50%程度なので、これらスピン偏極部F1からチャネル部Cに注入される電子の偏極率も高々50%程度である。
【0048】
より高いスピン偏極率の電子を注入するために、本発明の一形態においては、ソースSに化合物半導体を用いる。円偏光を照射することにより化合物半導体内に高いスピン偏極率の電子を励起し、その電子をチャネル部Cに注入することにより素子のMR比をさらに高めることができる。
【0049】
また、ソースSに磁性トンネル接合を用いることによって、よりスピン偏極率の高い電子をチャネルに注入し、MR比を高めることができる。
【0050】
なお、電子がスピン情報を喪失せずにソースSからドレインDに達するためには、チャネル部Cにおける散乱を抑制する必要がある。この観点からは、チャネル部Cは、いわゆる2次元電子ガスが形成される条件を満たすことが望ましい。
【0051】
また、スピン偏極部F1及びF2の材料としては、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)などの単体、または、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)の少なくともいずれかの元素を含む合金、または、「パーマロイ」と呼ばれるNiFe系合金、あるいは、CoNbZr系合金、FeTaC系合金、CoTaZr系合金、FeAlSi系合金、FeB系合金、CoFeB系合金などの軟磁性材料、ホイスラー合金やCrO、Fe、La1―XSrMnOなどのハーフメタル磁性体を用いることができる。すなわち、これらの材料のうちから、トランジスタの半導体材料や用途に応じた特性を有するものを適宜選択して用いればよい。
【0052】
【実施例】
以下、実施例を参照しつつ本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明する。
【0053】
(第1の実施例)
まず、本発明の第1の実施例として、Si(シリコン)−MOS(Metal−Oxide−Semiconductor)反転層をチャネルとするスピントランジスタについて説明する。
【0054】
図4は、本実施例のスピントランジスタの要部構成を表す模式図である。すなわち、同図(a)はその断面構成、同図(b)はその平面構成をそれぞれ表す。
【0055】
本実施例においては、p型シリコン基板10の上にゲート絶縁層20を設け、ゲートGに電圧を印加するとこの直下に反転層12が形成されるMOSトランジスタの構造を採用した。
【0056】
ソースS及びドレインDには、いずれも厚さ200nmの鉄(Fe)からなる強磁性層F1、F2を用いている。さらに、ソースS側のF1膜の磁化を、反強磁性体であるイリジウム・マンガン層IrMnからの交換磁場により、同図の矢印Mの方向に固着させている。一方、ドレインDの強磁性体膜F2の磁化は外部磁場により面内で回転することができる。
【0057】
このトランジスタのチャネル長は1μm、チャネル幅は5μmであり、ゲート絶縁膜20を介してアルミニウム(Al)ゲート電極Gが形成されている。
【0058】
ゲート電極Gの形状は、幅50nmのくびれ部QPを持った特殊形状をしている。ゲート電極Gに正電圧を印加すると、ゲート電極Gの直下にチャネル部(反転層)Cが形成されドレイン電流が流れるが、その電流がドレインDを構成する強磁性体層F2の磁化の向きにより変化する。
【0059】
電子の波長程度の細いくびれ部QPを流れる電子の運動は、くびれ部を通過する方向にほぼ平行に進む電子に限定され、かつその波長(およびエネルギー)が量子化されるため、界面抵抗のスピン依存性が増大する。
【0060】
また、本実施例のトランジスタでは、チャネル部CとドレインDとの間の界面抵抗が、ソースSとチャネル部Cとの間の界面抵抗およびチャネル抵抗に比較して十分大きくなっている。
【0061】
図5(a)は、本実施例のトランジスタのドレイン電流−ゲート電圧(I−V)特性を表すグラフ図である。ここで、ドレイン電圧Vは0.5Vに固定した。また、図中の実線はドレインDの強磁性体F2の磁化がソースSの強磁性体F1の磁化に対して平行な場合、点線は反平行な場合をそれぞれ表す。
【0062】
このグラフから分かるように、ゲート電圧が閾値電圧(V〜0.12V)を超えるとドレイン電流が流れはじめ、磁化の向きによる電流の変化(MR比)は約12%であった。
【0063】
図5(b)は、ドレイン電流−ドレイン電圧(I−V)特性を表すグラフ図である。ここで、ゲート電圧Vは1Vに固定した。また、図5(a)と同様に、実線はドレインDの強磁性体F2の磁化がソースSの強磁性体F1の磁化に対して平行な場合、点線は反平行な場合をそれぞれ表す。
【0064】
ピンチオフ電圧V=V−V以下では、図5(a)と同様に約12%のMR比が得られているが、VがVを超えると急速にMR比が減少し、ドレイン電流はF2の磁化方向に依存しなくなることが観測された。
【0065】
がV以上の飽和領域ではチャネル/ドレイン電極間の空乏化に伴ってポテンシャルバリアが発生し、ドレイン電流はこのバリアの抵抗で決まるため磁化の向きに殆ど依存しなくなると考えられる。
【0066】
ここで、本実施例に対する比較例として、ポイントコンタクトQPを除いた他の構成を同一としたSi−MOS反転層をチャネルとするスピントランジスタも試作した。すなわち、この比較例においては、ゲート電極Gの形状を図1(b)の如く収束形状とはせず、通常のトランジスタと同様にチャネル半導体層の上に全面に亘って設けた。
【0067】
この比較例のトランジスタの閾値電圧は、本実施例のトランジスタとほぼ同じ0.11Vであったが、ゲート電圧0.2Vにおけるドレイン電流は約1μAに増大した。この素子のMR比は約0.5%と極めて小さかった。
【0068】
すなわち、ゲート電極Gをパターニングすることにより形成したポイントコンタクトQPを設けることにより、MR比を大幅に高くすることができることが確認できた。
【0069】
(第2の実施例)
次に、本発明の第2の実施例として、n型InAlAs/InGaAsからなる選択ドープへテロ構造の2次元電子ガスを用いたスピントランジスタを試作した。
【0070】
図6は、本実施例のスピントランジスタの要部構成を表す模式図である。すなわち、同図(a)はその断面構成、同図(b)はその平面構成をそれぞれ表す。
【0071】
本実施例においては、InGaAs層30の上にInAlAs層40を設け、InAlAs/InGaAsヘテロ接合界面に形成される2次元電子系30Aをチャネルとするスピントランジスタを作製した。
【0072】
ゲート電極Gのサイズおよび形状は、第1実施例と同様としたが、ドレインDの強磁性体F2は、InGaAs層30の上にエピタキシャル成長した。強磁性体F2の膜表面およびチャネルと接した端面の面方位は何れも(001)面となっている。
【0073】
本実施例のスピントランジスタは、第1実施例のトランジスタと同様に、強磁性体F2の磁化の向きによりドレイン電流が変化するが、その変化の割合は第1実施例のトランジスタの約3倍であり、約35%のMR比が観測された。本実施例において第1実施例と比較して大きなMR比が得られた理由は以下のように考えられる。
【0074】
すなわち、トランジスタのMR比は、半導体(チャネル)/磁性体(F2)界面の界面抵抗が強磁性体F2の磁化方向に依存するために生じるが、磁化方向に依存する原因は界面を透過する電子の透過率が電子のスピンの向きに依存するためであり、磁性体のバンド構造に由来している。
【0075】
バンド構造は一般に、ブリルアンゾーンと呼ばれる波数空間の中で表現され、例えばFeの結晶中を[001]方向に進む電子はブリルアンゾーンの△線上の点として表現されるが、その状態は波動関数の対称性で区別され、通常群論の既約表現を用いて△1、△2のように記号で記述される。
【0076】
図7に表したように、鉄(Fe)のバンド構造は複雑であるが、アップスピンバンドはフェルミ準位の近傍で△1の対称性を持ち、ダウンスピンバンドは△2、△2’、△5の対称性を持っている。一方、InGaAsチャネル中を[001]方向に進む電子のバンドは、Δ1対称性をもっている。同じ対称性をもつバンド間を電子は反射されずに進むことができるので[001]方向に進むアップスピン電子は半導体(チャネル)/磁性体(F2)界面を透過できるが、異なる対称性を持つバンド間を電子は進むことができないのでダウンスピン電子は強く反射される。
【0077】
すなわち[001]方向の半導体(チャネル)/磁性体(F2)界面は強いスピン依存性を持ち、そのためこの素子では高いMR比が得られたと考えられる。
【0078】
第1実施例のトランジスタでは強磁性体F2が多結晶体のため、半導体(チャネル)/磁性体(F2)界面のスピン依存性が相対的に小さかったが、本実施例のトランジスタにおいては、このスピン依存性がさらに大きくなり、MR比も大きくなったものと考えられる。
【0079】
(第3の実施例)
次に、本発明の第3の実施例として、ソースSが化合物半導体からなるスピントランジスタについて説明する。
【0080】
図8は、本実施例のスピントランジスタの要部構成を表す模式図である。すなわち、同図(a)はその断面構成、同図(b)はその平面構成をそれぞれ表す。
【0081】
本実施例においても、InGaAs層30の上にInAlAs層40を設け、InAlAs/InGaAsヘテロ接合界面に形成される2次元電子系30Aをチャネルとするスピントランジスタを作製した。
【0082】
但し、本実施例においては、ソースSとしてガリウム砒素GaAsを設けた。ゲート電極Gのサイズおよび形状は、第1及び第2実施例と同様とした。
【0083】
本実施例のトランジスタの場合も、第1及び第2実施例と同様に、強磁性体F2の磁化の向きに応じてドレイン電流が変化する。
【0084】
ここで、ソースSのGaAsに右円偏光した光Lを照射し、強磁性体F2の磁化の向きを反転させて、ドレイン電流の変化を測定したところ、50%のMR比が観測された。MR比が大きくなった理由は、円偏光によってソースSのGaAs中に高偏極率の電子が励起され、チャネル部Cに注入されたことによると考えられる。この動作原理から明らかであるが、本実施例のトランジスタは、円偏光検出素子として用いることも可能である。
【0085】
(第4の実施例)
次に、本発明の第4の実施例として、ソースSがトンネル接合を有するスピントランジスタについて説明する。
【0086】
図9は、本実施例のスピントランジスタの要部断面構成を表す模式図である。
【0087】
本実施例においても、InGaAs層30の上にInAlAs層40を設け、InAlAs/InGaAsヘテロ接合界面に形成される2次元電子系30Aをチャネルとするスピントランジスタを作製した。
【0088】
但し、ソースSとして、鉄コバルト(FeCo)合金/アルミニウム(Al)酸化膜/鉄(Fe)からなる積層構造の磁性トンネル接合を設けた。この磁性トンネル接合からInAlAs/InGaAs接合界面の2次元電子ガスのチャネル部Cに、電子が供給される。第1乃至第3実施例と同様に、ゲート電極Gをパターニングすることにより、チャネル部Cと強磁性体F2との間にポイントコンタクトQPを形成した。また、ドレインDには、強磁性体としてFeNi合金を設けた。
【0089】
トランジスタの断面形状は、2次元電子チャネル部Cへの効率的な電子注入を行うため、図9に表したようにメサ状とし、その側面にソースS、ドレインDを設けた。ここで、トランジスタのチャネル長は1μm、チャネル幅は5μmとした。
【0090】
ソースSに設けた積層構造における上下の磁性体Fe、FeCoは、同方向に磁化させた。このトランジスタは、ドレインDの強磁性体FeNiの磁化の向きに応じてドレイン電流が変化する。ゲート電圧V=1V、ドレイン電圧V=0.5Vのとき、MR比は、38%を示した。
【0091】
本実施例においてMR比が大きくなった理由としては、磁性トンネル接合からなるソースSからチャネル部Cに注入された電子のスピン編極率が、第1実施例のような磁性体のみの場合と比較して、大きくなるためと考えられる。
【0092】
またさらに、図10に表したような構造を有するスピントランジスタにおいても、同様なMR比の向上が認められた。すなわち、同図に表したトランジスタの場合、ソースSに設けられた磁性トンネル接合は、鉄(Fe)/金(Au)/鉄(Fe)/アルミニウム(Al)酸化膜/アルミニウム(Al)という積層構造を有する。この積層構造の一部である、鉄(Fe)/金(Au)/鉄(Fe)は、いわゆる「スピンバルブ」構造である。但し、本実施例の場合、このスピンバルブ膜中の2層の鉄(Fe)は、それぞれ同方向に磁化した。
【0093】
図10に表したトランジスタの場合も、MR比が大きくなる理由は、チャネル部Cに注入される、電子のスピン偏極率が高くなるためと考えられる。
【0094】
(第5の実施例)
次に、本発明の第5の実施例として、ソースS、ドレインDが磁性半導体からなるスピントランジスタについて説明する。
【0095】
図11は、本実施例のスピントランジスタの要部断面構成を表す模式図である。
【0096】
本実施例においても、InGaAs層30の上にInAlAs層40を設け、InAlAs/InGaAsヘテロ接合界面に形成される2次元電子系30Aをチャネルとするスピントランジスタを作製した。
【0097】
但し、ソースSおよびドレインDが、それぞれガリウム・マンガン・砒素磁性半導体GaMnAsからなり、ゲート電極GをパターニングすることによりポイントコンタクトQPが形成されるスピントランジスタを作製した。
【0098】
GaMnAsは、分子線エピタキシー法を用いてエピタキシャル成膜した。チャネル長は1μm、チャネル幅は5μmとした。
【0099】
本実施例のトランジスタでは、MR比は50%を示した。MR比が大きく向上した理由は、ソースSのGaMnAsとチャネル部Cとの界面では、結晶の乱れが少ないため、GaMnAsから電子がチャネル部Cに注入される際に、スピン反転などによるスピン情報の喪失が起こりにくく、チャネル部Cに高偏極率の電子を注入できるためと考えられる。
【0100】
また同様に、ドレインDにおいても、チャネル部Cとの界面での結晶の乱れが少ないため、ポイントコンタクトQPを介して流入する電子のスピン情報の喪失が起きにくく、MR比の向上に寄与していると考えられる。
【0101】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、スピントランジスタを構成する各要素の具体的な寸法関係や材料、その他、基板、電極、導電型、ドーパント、絶縁構造などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
【0102】
また、本発明のスピントランジスタにおける強磁性体、チャネル部、スピン偏極部などの構成要素は、それぞれ単層として形成してもよく、あるいは2以上の層を積層した構造としてもよい。
【0103】
その他、本発明の実施の形態として上述したスピントランジスタを基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべてのスピントランジスタも同様に本発明の範囲に属する。
【0104】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、ソースから2次元電子ガス系などのチャネル領域にスピン偏極電子を注入し、ドレインを構成する磁性体の磁化の向きによりドレイン電流が変化するスピンFETにおいて、チャネル領域とドレインとの間にポイントコンタクトを形成することによりMR比が大きく実用可能な素子を提供することができ産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態にかかるスピントランジスタの要部構成を表す模式図である。
【図2】磁性体により構成されたポイントコンタクト素子の参考例を表す概念図である。
【図3】本発明のスピントランジスタを用いて構成されるMRAMのメモリセルを表す模式図である。
【図4】本発明の実施例のスピントランジスタの要部構成を表す模式図である。
【図5】(a)は、本実施例のトランジスタのドレイン電流−ゲート電圧(I−V)特性を表すグラフ図であり、(b)は、ドレイン電流−ドレイン電圧(I−V)特性を表すグラフ図である。
【図6】本発明の実施例のスピントランジスタの要部構成を表す模式図である。
【図7】鉄(Fe)のバンド構造を表す模式図である。
【図8】本発明の実施例のスピントランジスタの要部構成を表す模式図である。
【図9】本発明の実施例のスピントランジスタの要部断面構成を表す模式図である。
【図10】本発明の実施例のスピントランジスタの要部断面構成を表す模式図である。
【図11】本発明の実施例のスピントランジスタの要部断面構成を表す模式図である。
【図12】従来のスピントランジスタの要部構成を表す模式図であり、同図(a)はその断面構成、同図(b)はその平面構成を表す模式図である。
【符号の説明】
10 シリコン基板
12 反転層
20 ゲート絶縁層
30 InGaAs
30A 2次元電子系
40 InAlAs
110、120 磁性電極
BL ビット線
WL ワード線
C チャネル部
F1 スピン偏極部
F2 強磁性体
G ゲート電極
L 光
M 磁化
QP ポイントコンタクト
S ソース
D ドレイン
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a spin transistor. More specifically, the present invention relates to a magnetic sensor such as a magnetic head for high-density magnetic recording / reading, a magnetic random access memory (RAM), a magnetic read only memory (MROM), or the like. The present invention relates to a spin transistor suitable for use as a high-density memory element, a light detection element, or the like.
[0002]
[Prior art]
Along with the improvement of the magnetic recording medium, the increase in the density and the speed of the magnetic recording are mostly due to the progress of the magnetic recording apparatus, particularly the magnetic head used for writing and reading of the magnetic recording. For example, as the magnetic recording medium becomes smaller and larger in capacity, the relative speed between the magnetic recording medium and the read magnetic head decreases, but even in that case, a new type of read magnetic head that can extract a large output is huge. Development of a magnetoresistive head (GMR head) is underway.
[0003]
The GMR head has a large magnetoresistance change rate (MR ratio) and an excellent characteristic as compared with a conventional MR (Magneto Resistance effect) head. Recently, a tunnel junction type GMR head, which is expected to have better characteristics, has rapidly attracted attention.
[0004]
A conventional magnetic recording medium functions as a magnetic disk, that is, a file memory, and the information is once read into a semiconductor memory (DRAM, SRAM) of the computer main body and used. A semiconductor memory has many excellent characteristics, but also has a major drawback of consuming a large amount of power for storing data. In recent years, flash memory, FRAM (Ferroelectric Memory) and the like that do not require power for storing data have been developed, but all have a great disadvantage that the number of rewrites is limited.
[0005]
On the other hand, the development of a magnetic memory (MRAM) that can be repeated indefinitely has been started. In order to realize this, development of a material or device exhibiting a large MR ratio is desired. “Magnetic tunnel junction elements” are attracting attention as elements that exhibit a higher MR ratio than conventional spin valve films, and magnetic heads and magnetic memories can be manufactured using them or by combining them with MOS transistors. Attempts to form are underway.
[0006]
Furthermore, the development of spin transistors and spin valve transistors, which are expected to have better characteristics than magnetic tunnel junction elements, has begun. Such a spin transistor is, for example, S.I. By Datta et al., Appl. Phys. Lett. , 56, (1990) p. 665.
[Problems to be solved by the invention]
FIG. 12 is a schematic diagram showing the configuration of the main part of a conventional spin transistor. FIG. 12 (a) is a schematic diagram showing the cross-sectional configuration, and FIG. 12 (b) is a schematic diagram showing the planar configuration.
[0007]
This transistor includes a ferromagnetic Fe1 that forms part of a source S, a ferromagnetic Fe2 that forms a part of a drain D, and a two-dimensional electron gas channel C formed in a semiconductor layer provided therebetween. And its basic configuration.
[0008]
Spin-polarized electrons are injected into the channel portion C according to the magnetization direction of the source-side ferromagnetic material F1. On the other hand, the magnitude of the drain current varies depending on the magnetization direction of the ferromagnetic material F2 constituting a part of the drain D. When the ferromagnet F2 is magnetized in the same direction as the ferromagnet F1, the channel current easily flows, whereas when it is magnetized in the opposite direction, the channel current hardly flows.
[0009]
That is, the channel current varies depending on the magnetization direction of the ferromagnetic material Fe2 relative to the magnetization direction of the ferromagnetic material Fe1. Therefore, it can be used for applications such as a magnetic sensor.
[0010]
However, the conventional spin transistor as illustrated in FIG. 12 has a large drawback that current change due to the direction of magnetization of the ferromagnetic Fe2 is small, and thus high-speed reading is difficult.
[0011]
The present invention has been made on the basis of recognition of such a problem, and an object of the present invention is to provide a spin transistor that is highly dependent on magnetization of a drain current and excellent in high-speed reading.
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the first spin transistor of the present invention includes:
A source part having a spin-polarized part for generating spin-polarized electrons, a drain part having a magnetic material,
A channel part for guiding electrons from the source part to the drain part;
With
The channel portion has a shape converging toward the drain portion, and a point contact is provided between the channel portion and the drain portion.
[0012]
Further, the second spin transistor of the present invention has
A source part having a spin-polarized part for generating spin-polarized electrons;
A drain portion having a magnetic material;
A semiconductor layer provided between the source part and the drain part;
A gate electrode that forms a channel part for guiding electrons from the source part to the drain part by applying a voltage to the semiconductor layer;
With
A point contact is formed between the channel portion and the drain portion by providing a constricted portion in the shape of the gate electrode.
[0013]
According to the configuration of the first and second transistors, by providing the point contact, a high MR ratio can be obtained, and the magnetic detection sensitivity and the reading speed can be greatly improved as compared with the conventional case.
[0014]
Here, “point contact” refers to a junction limited to a size that produces a quantum effect on spin-polarized electrons, and the length in the direction perpendicular to the direction in which electrons flow. It is assumed that it is about the wavelength of electrons or less.
[0015]
For example, when the channel portion is formed of a semiconductor and the wavelength of electrons in the semiconductor is 10 nm, the size of the point contact is 10 nm or less.
[0016]
In the case of the second spin transistor, a fine point contact can be reliably and easily formed by processing the gate electrode.
[0017]
Further, if the spin-polarized portion is made of a compound semiconductor that excites spin-polarized electrons by irradiation of circularly polarized light, it can be used as a polarization detecting element.
[0018]
Further, at least one of the spin-polarized portion and the magnetic body is made of iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co) or an alloy containing these oriented in a certain crystal orientation. Strong spin magnetization can be easily obtained, high MR ratio can be obtained, high sensitivity, and stable operation of a spin transistor can be realized.
[0019]
If the source part has a tunnel junction, the spin polarization rate of electrons supplied to the channel part can be further increased.
[0020]
In addition, if at least one of the spin-polarized part and the magnetic material is made of a compound magnetic semiconductor, the compatibility with the semiconductor layer constituting the channel part and the like is good, and epitaxial growth is facilitated. The injection efficiency of spin-polarized electrons can be increased.
[0021]
If the channel portion is a two-dimensional electron gas region formed in a semiconductor, the probability that electrons lose spin information due to scattering in the channel portion can be reduced.
As a result of the study by the present inventor, it has been found that the following three factors can be cited as causes of a small change in drain current accompanying a change in the direction of magnetization in the conventional spin transistor illustrated in FIG.
[0022]
The first factor is that the interface resistance between the channel portion C and the drain D depending on the magnetization direction is smaller than the resistance of the channel portion C not depending on the magnetization direction. That is, the magnitude of the drain current is determined by the voltage applied between the source and the drain and the resistance value between the source and the drain, but the latter is the sum of the interface resistance between the source / channel and the channel / drain and the resistance of the channel portion. Only the interface resistance between the channel / drain depends on the direction of magnetization of the ferromagnetic material F2.
[0023]
That is, in order to increase the magnetization direction dependence (MR (Magneto-resistance) ratio of the element) of the drain current, it is necessary to increase the channel / drain interface resistance.
[0024]
The second factor with a small MR ratio of the element is that the dependence of the interface resistance on the magnetization direction itself is small. Therefore, it is necessary to increase the magnetization direction dependency by some means.
[0025]
The third factor is that the spin polarization rate of electrons injected from the source into the channel is small. The MR ratio of the element depends on the spin polarization of electrons that flow through the channel and flow to the drain, and the spin polarization of the ferromagnetic material of the drain. Therefore, the MR ratio can be further increased by injecting electrons having a high spin polarization rate from the source into the channel by some method.
[0026]
As a result of the above considerations, the present inventor has adopted a “point contact” made of a semiconductor / metal junction at the channel / drain junction, whereby the conventional spin transistor due to the first and second factors described above is employed. I came up with removing the shortcomings.
[0027]
In order to solve the third factor with a small MR ratio, it is necessary to inject electrons with a high spin polarization rate into the channel. In the spin transistor of the present invention, the source is composed of a compound semiconductor, and electrons having high spin polarization are injected into the channel region by injecting spin-polarized electrons excited in the compound semiconductor by circularly polarized light into the channel region. be able to. Alternatively, electrons having a high spin polarization can be injected into the channel by using a magnetic tunnel junction as a source and applying a voltage between the upper electrode and the lower electrode of the magnetic tunnel junction.
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0028]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a main configuration of a spin transistor according to an embodiment of the present invention. That is, FIG. 4A shows the cross-sectional configuration, and FIG. 4B shows the planar configuration.
[0029]
The transistor of the present invention includes a spin polarization portion F1 that forms part of a source S, a ferromagnetic material F2 that forms part of a drain D, and a channel portion C formed in a semiconductor layer provided therebetween. Is the basic configuration.
[0030]
The spin-polarized portion F1 provided in the source S has a function of generating spin-polarized electrons. For example, in addition to those made of a ferromagnetic material as shown in FIG. In addition, a compound magnetic semiconductor, a compound semiconductor that generates electrons that are spin-polarized by circularly polarized light, and the like are also included.
[0031]
Injection of spin-polarized electrons from the source S to the channel portion C is the same as that of the conventional transistor illustrated in FIG. That is, spin-polarized electrons are injected into the channel portion C according to the magnetization direction of the source-side spin-polarized portion F1. When the ferromagnet F2 constituting a part of the drain D is magnetized in the same direction as the spin polarization part F1, the channel current is easy to flow, whereas when it is magnetized in the opposite direction, the channel current Is difficult to flow.
[0032]
In the transistor of the present invention, a point contact QP is formed between the channel portion C and the drain D. The point contact QP is provided with a fine contact to the extent that a quantum size effect can be generated with respect to the ferromagnetic material. That is, in the case of the transistor of the present invention, such fine contacts are formed on the ferromagnetic material F2 constituting a part of the drain D so that electrons are supplied from the channel portion C.
[0033]
The concept of “point contact” in the present invention will be described first.
[0034]
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a reference example of a point contact element made of a magnetic material.
[0035]
This element is a two-terminal element having a constricted portion N between the upper and lower magnetic electrodes 110 and 120, and the resistance changes depending on the magnetization direction of the upper and lower electrodes. A very large value of several hundred percent has been reported so far as the rate of change in resistance, but the reason for the large rate of change has been explained as a phenomenon associated with ballistic conduction of quantized electrons. A point contact is an excellent element exhibiting a large rate of change in resistance, but in order to fabricate it, it is necessary to fabricate a constricted portion N having an electron wavelength. Although the wavelength of conduction electrons in a metal is about 1 nm, it is difficult to produce a constricted portion having a width of about 1 nm with good reproducibility by current technology, so this element remains at the basic research stage.
[0036]
It is to be noted that such a point contact element is disclosed as a magnetic microcontact in which two acicular nickel (Ni) are attached together or a magnetic microcontact in which two magnetites are in contact with each other. Garcia, M.M. Munoz, and Y.M. -W. Zhao, Physical Review Letters, vol. 82, p2923 (1999) and J. Am. J. et al. Versluijs, M.M. A. Bari and J.M. M.M. D. Coey, Physical Review Letters, vol. 87, p26601-1 (2001).
[0037]
Returning to FIG. 1 again and continuing the description, by providing such a point contact QP in the spin transistor, the current change due to the direction of magnetization of the ferromagnetic material F2 constituting a part of the drain D is greatly increased. High-speed reading is also possible.
[0038]
The point contact QP can be realized, for example, by changing the shape of the gate electrode G to the shape of the channel portion C in FIG. That is, the gate electrode G having a shape that converges toward the drain D corresponding to the channel portion C in FIG.
[0039]
When a gate voltage is applied to such a gate electrode G, depletion or inversion occurs in a region corresponding to the shape of the gate electrode G in the semiconductor layer to be a channel, and a channel portion C is formed. Electrons can be confined in the constricted portion, that is, the point contact QP, by the potential barrier of the channel portion C formed in this way. Since the wavelength of electrons in the semiconductor is 10 nm or more, the width of the constricted portion, that is, the point contact QP may be about several tens of nm. The formation of such a point contact QP is sufficiently possible with the current technology.
[0040]
The point contact QP can also be realized by patterning a semiconductor layer constituting the channel. For example, a semiconductor layer that can become the channel portion C may be etched to form a mesa having the shape of the channel portion C in FIG.
[0041]
Alternatively, only the portion of the channel portion C in FIG. 1B may be left as an active region by selectively injecting an inactivating element into the semiconductor layer. In this case, as an inactivating element, for example, hydrogen, proton, oxygen, iron, and various other elements can be appropriately selected and used according to the semiconductor material.
[0042]
According to the present invention, by providing the point contact QP between the channel portion C and the drain D, the contact resistance between the channel portion C and the drain D is remarkably increased as compared with the channel resistance, and the contact resistance is increased. Since the magnetization dependency of the drain current increases, the magnetization direction dependency (MR ratio) of the drain current can be dramatically increased.
[0043]
If a memory cell as shown in FIG. 3 is formed using such a spin transistor, it can be used in principle as a new type of solid magnetic memory (MRAM).
[0044]
For example, the magnetization direction of the ferromagnetic material used as the spin polarization portion F1 is fixed, and the magnetization of the ferromagnetic material F2 is made parallel to the magnetization of F1 by a magnetic field generated by a write current (omitted in FIG. 3). By making an antiparallel transition, binary code can be written. The code is read by applying a voltage to the word line WL connected to the gate G of the transistor to turn on the transistor and observing the drain current flowing through the bit line BL to thereby change the direction of magnetization of the ferromagnetic material F2. Can be detected.
[0045]
In the conventional MRAM using the magnetic tunnel junction, one tunnel junction and one transistor are required as one-bit components, whereas in the case of the memory cell shown in FIG. One bit can be composed of only transistors.
[0046]
Moreover, according to the present invention, the current change due to the direction of magnetization of the ferromagnetic material F2 of the spin transistor is large, which is further advantageous in that high-speed reading is possible.
[0047]
On the other hand, the magnetization direction dependency (MR ratio) of the drain current also depends on the spin polarization rate of electrons injected from the source S into the channel portion C. Since the spin polarization rate of conduction electrons existing in a ferromagnetic material such as iron (Fe) and cobalt (Co) is at most about 50%, the polarization of electrons injected into the channel portion C from these spin polarization portions F1. The rate is also about 50% at most.
[0048]
In order to inject electrons having a higher spin polarization rate, a compound semiconductor is used for the source S in one embodiment of the present invention. Irradiation with circularly polarized light excites electrons with high spin polarization in the compound semiconductor and injects the electrons into the channel portion C to further increase the MR ratio of the element.
[0049]
Further, by using a magnetic tunnel junction for the source S, electrons with a higher spin polarization can be injected into the channel, and the MR ratio can be increased.
[0050]
In order for electrons to reach the drain D from the source S without losing spin information, it is necessary to suppress scattering in the channel portion C. From this point of view, it is desirable that the channel portion C satisfies a condition for forming a so-called two-dimensional electron gas.
[0051]
The material of the spin polarization parts F1 and F2 may be simple substance such as iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), or iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), chromium. An alloy containing at least one element of (Cr), a NiFe alloy called “permalloy”, a CoNbZr alloy, a FeTaC alloy, a CoTaZr alloy, a FeAlSi alloy, a FeB alloy, a CoFeB alloy, etc. Soft magnetic materials, Heusler alloys and CrO 2 , Fe 3 O 4 , La 1-X Sr X MnO 3 A half metal magnetic material such as can be used. That is, from these materials, a material having characteristics according to the semiconductor material or application of the transistor may be appropriately selected and used.
[0052]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[0053]
(First embodiment)
First, a spin transistor using a Si (silicon) -MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) inversion layer as a channel will be described as a first embodiment of the present invention.
[0054]
FIG. 4 is a schematic diagram showing the main configuration of the spin transistor of this example. That is, FIG. 4A shows the cross-sectional configuration, and FIG. 4B shows the planar configuration.
[0055]
In this embodiment, the structure of a MOS transistor in which the gate insulating layer 20 is provided on the p-type silicon substrate 10 and the inversion layer 12 is formed immediately below when a voltage is applied to the gate G is employed.
[0056]
As the source S and the drain D, ferromagnetic layers F1 and F2 made of iron (Fe) having a thickness of 200 nm are used. Further, the magnetization of the F1 film on the source S side is fixed in the direction of arrow M in the figure by an exchange magnetic field from the iridium / manganese layer IrMn, which is an antiferromagnetic material. On the other hand, the magnetization of the ferromagnetic film F2 of the drain D can be rotated in the plane by an external magnetic field.
[0057]
This transistor has a channel length of 1 μm and a channel width of 5 μm, and an aluminum (Al) gate electrode G is formed through a gate insulating film 20.
[0058]
The shape of the gate electrode G is a special shape having a constricted portion QP having a width of 50 nm. When a positive voltage is applied to the gate electrode G, a channel portion (inversion layer) C is formed immediately below the gate electrode G and a drain current flows. The current depends on the magnetization direction of the ferromagnetic layer F2 constituting the drain D. Change.
[0059]
The movement of electrons flowing through the narrow part QP of the electron wavelength is limited to electrons that travel almost parallel to the direction of passing through the constriction part, and the wavelength (and energy) is quantized. Dependency increases.
[0060]
In the transistor of this example, the interface resistance between the channel portion C and the drain D is sufficiently larger than the interface resistance and channel resistance between the source S and the channel portion C.
[0061]
FIG. 5A shows the drain current-gate voltage (I) of the transistor of this embodiment. D -V G ) Is a graph showing characteristics. Where drain voltage V D Was fixed at 0.5V. Further, the solid line in the figure represents the case where the magnetization of the ferromagnetic material F2 of the drain D is parallel to the magnetization of the ferromagnetic material F1 of the source S, and the dotted line represents the case of antiparallel.
[0062]
As can be seen from this graph, the gate voltage is the threshold voltage (V T Exceeding 0.12 V), drain current began to flow, and the change in current (MR ratio) depending on the direction of magnetization was about 12%.
[0063]
FIG. 5B shows the drain current-drain voltage (I D -V D ) Is a graph showing characteristics. Where the gate voltage V G Was fixed at 1V. Similarly to FIG. 5A, the solid line represents the case where the magnetization of the ferromagnet F2 of the drain D is parallel to the magnetization of the ferromagnet F1 of the source S, and the dotted line represents the antiparallel case.
[0064]
Pinch-off voltage V P = V G -V T In the following, an MR ratio of about 12% is obtained as in FIG. D Is V P It has been observed that the MR ratio rapidly decreases beyond this value, and the drain current does not depend on the magnetization direction of F2.
[0065]
V D Is V P In the above saturation region, a potential barrier is generated due to depletion between the channel / drain electrodes, and the drain current is determined by the resistance of the barrier, so that it is considered that it hardly depends on the direction of magnetization.
[0066]
Here, as a comparative example with respect to the present embodiment, a spin transistor having a Si-MOS inversion layer having the same configuration except for the point contact QP as a channel was also prototyped. That is, in this comparative example, the shape of the gate electrode G is not converged as shown in FIG. 1B, but is provided over the entire surface of the channel semiconductor layer in the same manner as a normal transistor.
[0067]
The threshold voltage of the transistor of this comparative example was almost the same as that of the transistor of this embodiment, but the drain current at a gate voltage of 0.2 V increased to about 1 μA. The MR ratio of this element was as extremely low as about 0.5%.
[0068]
That is, it was confirmed that the MR ratio can be significantly increased by providing the point contact QP formed by patterning the gate electrode G.
[0069]
(Second embodiment)
Next, as a second embodiment of the present invention, a spin transistor using a two-dimensional electron gas having a selectively doped heterostructure made of n-type InAlAs / InGaAs was prototyped.
[0070]
FIG. 6 is a schematic diagram showing the main configuration of the spin transistor of this example. That is, FIG. 4A shows the cross-sectional configuration, and FIG. 4B shows the planar configuration.
[0071]
In this example, an InAlAs layer 40 was provided on the InGaAs layer 30, and a spin transistor having a two-dimensional electron system 30A formed at the InAlAs / InGaAs heterojunction interface as a channel was manufactured.
[0072]
The size and shape of the gate electrode G were the same as in the first example, but the ferromagnetic material F2 of the drain D was epitaxially grown on the InGaAs layer 30. The surface orientation of the end surface in contact with the film surface and the channel of the ferromagnetic material F2 is a (001) plane.
[0073]
In the spin transistor of this embodiment, the drain current changes depending on the magnetization direction of the ferromagnetic material F2, as in the transistor of the first embodiment, but the rate of change is about three times that of the transistor of the first embodiment. Yes, an MR ratio of about 35% was observed. The reason why a large MR ratio was obtained in this example compared to the first example is considered as follows.
[0074]
That is, the MR ratio of the transistor is generated because the interface resistance at the interface of the semiconductor (channel) / magnetic material (F2) depends on the magnetization direction of the ferromagnetic material F2, but the cause that depends on the magnetization direction is the electron transmitted through the interface. This is due to the band structure of the magnetic material.
[0075]
A band structure is generally expressed in a wave number space called a Brillouin zone. For example, an electron traveling in the [001] direction in a Fe crystal is expressed as a point on the Δ line of the Brillouin zone. They are distinguished by symmetry, and are usually described by symbols such as Δ1 and Δ2 using irreducible expressions in group theory.
[0076]
As shown in FIG. 7, the band structure of iron (Fe) is complicated, but the up spin band has a symmetry of Δ1 in the vicinity of the Fermi level, and the down spin band is Δ2, Δ2 ′, It has a symmetry of Δ5. On the other hand, the electron band traveling in the [001] direction in the InGaAs channel has Δ1 symmetry. Since electrons can travel without reflection between bands having the same symmetry, upspin electrons traveling in the [001] direction can pass through the semiconductor (channel) / magnetic body (F2) interface, but have different symmetry. Since electrons cannot travel between bands, downspin electrons are strongly reflected.
[0077]
In other words, the [001] direction semiconductor (channel) / magnetic body (F2) interface has a strong spin dependence, and it is considered that a high MR ratio was obtained in this element.
[0078]
In the transistor of the first embodiment, since the ferromagnetic material F2 is polycrystalline, the spin dependency of the semiconductor (channel) / magnetic material (F2) interface is relatively small. It is considered that the spin dependency is further increased and the MR ratio is also increased.
[0079]
(Third embodiment)
Next, a spin transistor in which the source S is made of a compound semiconductor will be described as a third embodiment of the present invention.
[0080]
FIG. 8 is a schematic diagram showing the main configuration of the spin transistor of this example. That is, FIG. 4A shows the cross-sectional configuration, and FIG. 4B shows the planar configuration.
[0081]
Also in this example, an InAlAs layer 40 was provided on the InGaAs layer 30, and a spin transistor having a channel formed by the two-dimensional electron system 30A formed at the InAlAs / InGaAs heterojunction interface was produced.
[0082]
However, in this embodiment, gallium arsenide GaAs is provided as the source S. The size and shape of the gate electrode G were the same as in the first and second examples.
[0083]
Also in the case of the transistor of this embodiment, the drain current changes according to the direction of magnetization of the ferromagnetic material F2, as in the first and second embodiments.
[0084]
Here, when GaAs of the source S was irradiated with right-circularly polarized light L, the direction of magnetization of the ferromagnetic material F2 was reversed and the change in the drain current was measured, an MR ratio of 50% was observed. The reason why the MR ratio has increased is considered to be that electrons with a high polarization rate were excited in the GaAs of the source S by circularly polarized light and injected into the channel portion C. As is apparent from this operation principle, the transistor of this embodiment can also be used as a circularly polarized light detecting element.
[0085]
(Fourth embodiment)
Next, a spin transistor in which the source S has a tunnel junction will be described as a fourth embodiment of the present invention.
[0086]
FIG. 9 is a schematic diagram showing a cross-sectional configuration of a main part of the spin transistor of this example.
[0087]
Also in this example, an InAlAs layer 40 was provided on the InGaAs layer 30, and a spin transistor having a channel formed by the two-dimensional electron system 30A formed at the InAlAs / InGaAs heterojunction interface was produced.
[0088]
However, as the source S, a magnetic tunnel junction having a laminated structure of iron cobalt (FeCo) alloy / aluminum (Al) oxide film / iron (Fe) was provided. Electrons are supplied from the magnetic tunnel junction to the channel portion C of the two-dimensional electron gas at the InAlAs / InGaAs junction interface. Similar to the first to third embodiments, the gate electrode G is patterned to form a point contact QP between the channel portion C and the ferromagnetic material F2. The drain D was provided with a FeNi alloy as a ferromagnetic material.
[0089]
In order to efficiently inject electrons into the two-dimensional electron channel portion C, the transistor has a mesa shape as shown in FIG. 9, and a source S and a drain D are provided on the side surfaces thereof. Here, the channel length of the transistor was 1 μm, and the channel width was 5 μm.
[0090]
The upper and lower magnetic bodies Fe and FeCo in the laminated structure provided in the source S were magnetized in the same direction. In this transistor, the drain current changes according to the direction of magnetization of the ferromagnetic material FeNi of the drain D. Gate voltage V G = 1V, drain voltage V D When = 0.5 V, the MR ratio was 38%.
[0091]
The reason why the MR ratio is increased in this embodiment is that the spin refraction rate of electrons injected from the source S consisting of the magnetic tunnel junction into the channel portion C is only the magnetic material as in the first embodiment. This is considered to be larger than the comparison.
[0092]
Furthermore, similar improvement in MR ratio was also observed in the spin transistor having the structure shown in FIG. That is, in the case of the transistor shown in the figure, the magnetic tunnel junction provided in the source S is a laminate of iron (Fe) / gold (Au) / iron (Fe) / aluminum (Al) oxide film / aluminum (Al). It has a structure. Iron (Fe) / gold (Au) / iron (Fe), which is a part of this laminated structure, is a so-called “spin valve” structure. However, in this example, the two layers of iron (Fe) in the spin valve film were magnetized in the same direction.
[0093]
In the case of the transistor shown in FIG. 10 as well, the reason why the MR ratio is increased is considered to be that the spin polarization rate of electrons injected into the channel portion C is increased.
[0094]
(Fifth embodiment)
Next, as a fifth embodiment of the present invention, a spin transistor in which the source S and the drain D are made of a magnetic semiconductor will be described.
[0095]
FIG. 11 is a schematic diagram showing a cross-sectional configuration of a main part of the spin transistor of this example.
[0096]
Also in this example, an InAlAs layer 40 was provided on the InGaAs layer 30, and a spin transistor having a channel formed by the two-dimensional electron system 30A formed at the InAlAs / InGaAs heterojunction interface was produced.
[0097]
However, a spin transistor in which the source S and the drain D are each made of gallium, manganese, and arsenic magnetic semiconductor GaMnAs and the point contact QP is formed by patterning the gate electrode G was manufactured.
[0098]
GaMnAs was epitaxially deposited using a molecular beam epitaxy method. The channel length was 1 μm and the channel width was 5 μm.
[0099]
In the transistor of this example, the MR ratio was 50%. The reason why the MR ratio is greatly improved is that there is little disorder of the crystal at the interface between the GaMnAs of the source S and the channel part C. Therefore, when electrons are injected from the GaMnAs into the channel part C, This is probably because loss is unlikely to occur and electrons with a high polarization rate can be injected into the channel portion C.
[0100]
Similarly, in the drain D, since the disorder of the crystal at the interface with the channel portion C is small, the loss of spin information of electrons flowing through the point contact QP hardly occurs, contributing to the improvement of the MR ratio. It is thought that there is.
[0101]
The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. For example, a person skilled in the art appropriately selects a specific dimensional relationship and material of each element constituting the spin transistor, and other shapes and materials such as a substrate, an electrode, a conductivity type, a dopant, and an insulating structure from a well-known range. As long as the present invention can be carried out in the same manner and the same effect can be obtained, it is included in the scope of the present invention.
[0102]
In addition, the constituent elements such as the ferromagnetic material, the channel part, and the spin polarization part in the spin transistor of the present invention may be formed as a single layer, or may have a structure in which two or more layers are stacked.
[0103]
In addition, all spin transistors that can be implemented by those skilled in the art based on the above-described spin transistors as embodiments of the present invention are also within the scope of the present invention.
[0104]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, spin-polarized electrons are injected from a source into a channel region such as a two-dimensional electron gas system, and the drain current changes depending on the magnetization direction of the magnetic material constituting the drain. In the FET, by forming a point contact between the channel region and the drain, a practical device having a large MR ratio can be provided, and the industrial merit is great.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a main part of a spin transistor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a reference example of a point contact element made of a magnetic material.
FIG. 3 is a schematic diagram showing an MRAM memory cell configured using the spin transistor of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a main configuration of a spin transistor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5A shows the drain current-gate voltage (I) of the transistor of this example. D -V G ) Is a graph showing characteristics, and (b) shows drain current-drain voltage (I D -V D ) Is a graph showing characteristics.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a main configuration of a spin transistor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic diagram showing a band structure of iron (Fe).
FIG. 8 is a schematic diagram showing a main configuration of a spin transistor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic diagram showing a cross-sectional configuration of a main part of a spin transistor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic diagram showing a cross-sectional configuration of a main part of a spin transistor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic diagram showing a cross-sectional configuration of a main part of a spin transistor according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 12A and 12B are schematic views showing a main part configuration of a conventional spin transistor, in which FIG. 12A is a cross-sectional configuration and FIG. 12B is a schematic view showing a planar configuration.
[Explanation of symbols]
10 Silicon substrate
12 Inversion layer
20 Gate insulation layer
30 InGaAs
30A 2D electronic system
40 InAlAs
110, 120 Magnetic electrode
BL bit line
WL Word line
C channel part
F1 Spin polarization part
F2 ferromagnet
G Gate electrode
L light
M Magnetization
QP point contact
S source
D drain

Claims (7)

スピン偏極した電子を生成するスピン偏極部を有するソース部と、
磁性体を有するドレイン部と、
前記ソース部から前記ドレイン部に電子を導くチャネル部と、
を備え、
前記チャネル部は前記ドレイン部に向かって収束する形状を有し、前記チャネル部と前記ドレイン部との間にポイントコンタクトが設けられたことを特徴とするスピントランジスタ。
A source part having a spin-polarized part for generating spin-polarized electrons;
A drain portion having a magnetic material;
A channel part for guiding electrons from the source part to the drain part;
With
The spin transistor, wherein the channel portion has a shape converging toward the drain portion, and a point contact is provided between the channel portion and the drain portion.
スピン偏極した電子を生成するスピン偏極部を有するソース部と、
磁性体を有するドレイン部と、
前記ソース部と前記ドレイン部との間に設けられた半導体層と、
前記半導体層に電圧を印加することにより、前記ソース部から前記ドレイン部に電子を導くチャネル部を形成するゲート電極と、
を備え、
前記ゲート電極の形状にくびれ部を与えることにより前記チャネル部と前記ドレイン部との間にポイントコンタクトが形成されることを特徴とするスピントランジスタ。
A source part having a spin-polarized part for generating spin-polarized electrons;
A drain portion having a magnetic material;
A semiconductor layer provided between the source part and the drain part;
A gate electrode that forms a channel part for guiding electrons from the source part to the drain part by applying a voltage to the semiconductor layer;
With
A spin transistor, wherein a point contact is formed between the channel portion and the drain portion by providing a constricted portion in the shape of the gate electrode.
前記スピン偏極部は、円偏光した光の照射によりスピン偏極した電子を励起する化合物半導体からなることを特徴とする請求項1または2に記載のスピントランジスタ。3. The spin transistor according to claim 1, wherein the spin-polarized portion is made of a compound semiconductor that excites spin-polarized electrons by irradiation with circularly polarized light. 前記スピン偏極部及び前記磁性体の少なくともいずれかは、一定の結晶方位に配向した鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)あるいはこれらを含有する合金からなることを特徴とする請求項1または2に記載のスピントランジスタ。At least one of the spin-polarized portion and the magnetic body is made of iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co) or an alloy containing these oriented in a certain crystal orientation. Item 3. The spin transistor according to Item 1 or 2. 前記ソース部は、トンネル接合を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載のスピントランジスタ。The spin transistor according to claim 1, wherein the source part has a tunnel junction. 前記スピン偏極部及び前記磁性体の少なくともいずれかは、化合物磁性半導体からなることを特徴とする請求項1または2に記載のスピントランジスタ。3. The spin transistor according to claim 1, wherein at least one of the spin-polarized portion and the magnetic body is made of a compound magnetic semiconductor. 前記チャネル部は、半導体中に形成される2次元電子ガス領域であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載のスピントランジスタ。The spin transistor according to claim 1, wherein the channel portion is a two-dimensional electron gas region formed in a semiconductor.
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