JP4496242B2 - スピントランジスタ及び磁気メモリ - Google Patents
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Description
S. Sugahara and M. Tanaka, Appl. Phys. Lett. 84(2004)2307
図1は、本発明の第1の実施形態に係るスピントランジスタ10の構造を示す断面図である。図2は、図1に示したスピントランジスタ10の構造を示す斜視図である。図3は、凸状半導体層(フィン)12をY方向に切断したスピントランジスタ10の断面図である。なお、図2ではフィン12及びチャネル領域13の構造の理解を容易にするために、ゲート電極19、ゲート絶縁膜18、及び電極21の図示を省略している。また、図1は、図2に示したフィン12をX方向に切断した断面図に対応する。
(a)N型或いはP型のSi(シリコン)
(b)Ge(ゲルマニウム)、SixGe1−x(0<x<1)
(c)III−V族やII−VI族の化合物半導体
(d)磁性半導体
などを用いることができる。フィン12は、半導体基板11と同じ材料から構成されていてもよいし、異なる材料を用いてもよい。フィン12としては、上記(a)〜(d)の材料を用いることができる。
(a)Co(コバルト)、Fe(鉄)、Ni(ニッケル)、或いはこれらの合金
(b)Co−Pt、Co−Fe−Pt、Fe−Pt、Co−Fe−Cr−Pt、Co−Cr−Pt、Ni−Mn−Sb、Co2MnGe、Co2MnAl、Co2MnSi、CoCrFeAlなどの合金
(c)GeMn、SiCNi、SiCMn、SiCFe、ZnMnTe、ZnCrTe、BeMnTe、ZnVO、ZnMnO、ZnCoO、GaMnAg、InMnAs、InMnAb、GaMnP、GaMnN、GaCrN、AlCrN、BiFeTe、SbVTe、PbSnMnTe、GeMnTe、CdMnGeP、ZnSiNMn、ZnGeSiNMn、BeTiFeO、CdMnTe、ZnMnS、TiCoO、SiMn、SiGeMnなどの磁性半導体
を用いることができる。
(a)Cu(銅)、Cr(クロム)、Au(金)、Ag(銀)、Hf(ハフニウム)、Zr(ジルコニウム)、Rh(ロジウム)、Pt(白金)、Ir(イリジウム)、Al(アルミニウム)からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素、或いはこれらの合金
(b)Si(シリコン)、Ge(ゲルマニウム)、Al(アルミニウム)、Ga(ガリウム)、Mg(マグネシウム)、Ti(チタン)などの酸化物或いは窒化物
(c)SrTiO、NdGaO、SixGe1−x(0<x<1)
(d)III−V族或いはII−VI族の化合物半導体
(e)磁性半導体
を用いることができる。
第2の実施形態は、上面が傾斜した半導体層23を複数備えた傾斜ステップ基板を用い、これら半導体層23にチャネル領域13を形成することで、各チャネル領域13の幅を小さくする。そして、この幅の小さいチャネル領域13を電子が通ることで、スピン緩和を抑えるようにしている。
第3の実施形態は、半導体基板11内に複数のチャネル領域13を形成し、各チャネル領域13の幅を小さくする。そして、この幅の小さいチャネル領域13を電子が通過することで、スピン緩和を抑えるようにしている。
第4の実施形態は、第1の実施形態の変形例であり、フィン構造を有するスピントランジスタ10において、チャネル領域13上に直接、導電体からなるゲート電極19を設けるようにしている。すなわち、第4の実施形態は、フィン構造及びMESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)構造を有するスピントランジスタ10の構成例である。
第5の実施形態は、第1の実施形態の変形例であり、フィン構造を有するスピントランジスタ10において、チャネル領域13上に、チャネル領域13と逆導電型の半導体からなるゲート電極19を設けるようにしている。すなわち、第5の実施形態は、フィン構造及び接合型(junction-gate)FET(JFET)構造を有するスピントランジスタ10の構成例である。
第6の実施形態は、第1の実施形態の変形例であり、フィン構造を有するスピントランジスタ10において、磁化方向が固定された第1の強磁性層14及び第3の強磁性層17上にそれぞれ、これらの磁化方向を強固に固定するための反強磁性層を積層するようにしている。
第7の実施形態は、第1の実施形態の変形例であり、強磁性層と半導体基板(フィンを含む)との間に、トンネルバリア層を設けるようにしている。このトンネルバリア層の付与により、チャネル領域13に高スピン偏極率で電子を注入することができる。
(a)Si(シリコン)、Ge(ゲルマニウム)、Al(アルミニウム)、Ga(ガリウム)、Mg(マグネシウム)、Ti(チタン)などの酸化物或いは窒化物
(b)SrTiO、NdGaO
などを用いることができる。
第8の実施形態は、第1の実施形態の変形例であり、フィン構造を有するMOSトランジスタのソース領域上に第1の強磁性層14を設け、ドレイン領域上に第2の強磁性層15を設けるようにしている。すなわち、第1の強磁性層14及び第2の強磁性層15は、第1の実施形態のようにフィン12の両側に配置されず、フィン12上に設けられる。
第9の実施形態は、第2の実施形態の変形例であり、傾斜ステップ基板にMOSトランジスタを形成し、さらにこのMOSトランジスタのソース領域上に第1の強磁性層14を設け、ドレイン領域上に第2の強磁性層15を設けるようにしている。
第10の実施形態は、第3の実施形態の変形例であり、半導体基板にMOSトランジスタを形成し、さらにこのMOSトランジスタのソース領域上に第1の強磁性層14を設け、ドレイン領域上に第2の強磁性層15を設けるようにしている。
第11の実施形態は、スピントランジスタ10を用いた磁気メモリの構成例である。図28は、本発明の第11の実施形態に係る磁気メモリの構成を示す回路図である。
次に、第1の実施形態で示したフィン構造を有するスピントランジスタ10のより具体的な実施例について説明する。本実施例では、第1の実施形態で示したフィン構造を有するスピントランジスタ10に、さらに、反強磁性層24,25、及びトンネルバリア層26,27を付加したスピントランジスタを作製した。図29及び図30は、実施例1に係るスピントランジスタ10の製造工程を示す断面図である。
次に、第3の実施形態で細線チャネル構造を有するスピントランジスタ10のより具体的な実施例について説明する。本実施例では、第3の実施形態で示した細線チャネル構造を有するスピントランジスタ10に、さらに、反強磁性層24,25、及びトンネルバリア層26,27を付加したスピントランジスタを作製する。図31及び図32は、実施例2に係るスピントランジスタ10の製造工程を示す断面図である。
Claims (10)
- 第1の方向に延在するように基板上に設けられ、かつ電子の通路を一次元化する幅を有する複数の凸状半導体層と、
前記複数の凸状半導体層の上部にそれぞれ設けられた第1の導電型の複数のチャネル領域と、
前記複数のチャネル領域の両端にそれぞれ設けられた第2の導電型の第1及び第2の拡散層と、
前記第1の拡散層に接するように前記基板上に設けられ、かつ磁化方向が固定された第1の強磁性層と、
前記第2の拡散層に接するように前記基板上に設けられ、かつ磁化方向が可変の第2の強磁性層と、
前記複数のチャネル領域上に設けられたゲート電極と
を具備することを特徴とするスピントランジスタ。 - 前記ゲート電極と前記複数のチャネル領域との間に設けられたゲート絶縁膜をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載のスピントランジスタ。
- 前記ゲート電極は、前記チャネル領域と逆導電型の半導体からなることを特徴とする請求項1に記載のスピントランジスタ。
- 前記第1の強磁性層上に設けられた第1の反強磁性層をさらに具備することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のスピントランジスタ。
- 前記第2の強磁性層上に設けられた非磁性層と、
前記非磁性層上に設けられ、かつ磁化方向が固定された第3の強磁性層と
をさらに具備することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のスピントランジスタ。 - 前記第3の強磁性層上に設けられた第2の反強磁性層をさらに具備することを特徴とする請求項5に記載のスピントランジスタ。
- 前記第1の強磁性層と前記第1の拡散領域との間、及び前記第2の強磁性層と前記第2の拡散領域との間の少なくとも一方に設けられたトンネルバリア層をさらに具備することを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のスピントランジスタ。
- 請求項1乃至7のいずれかに記載のスピントランジスタと、
前記第1の強磁性層に電気的に接続された第1のビット線と、
前記第2の強磁性層に電気的に接続された第2のビット線と、
前記ゲート電極に電気的に接続されたワード線と
を具備することを特徴とする磁気メモリ。 - 前記第1のビット線及び前記第2のビット線に接続され、かつ前記スピントランジスタに双方向の書き込み電流を供給する電源回路をさらに具備することを特徴とする請求項8に記載の磁気メモリ。
- 前記第1のビット線又は前記第2のビット線に接続され、かつ前記スピントランジスタのデータを検知するセンスアンプをさらに具備することを特徴とする請求項8又は9に記載の磁気メモリ。
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