JP4583443B2 - スピントロニクス応用のための磁気電気電界効果トランジスタ - Google Patents
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Description
チャネル領域と、
チャネル領域の一方の側に接続され、チャネル領域に電子を注入するように適合されたソースと、
チャネル領域の反対側に接続され、スピン偏極した電子を検出するように適合されたドレインと、
4つの磁気要素を備える磁気二重対要素を少なくとも1つ備えるゲートとを備える磁気電気電界効果トランジスタであって、各磁気要素がチャネル領域に磁界を誘導するように適合され、各磁気二重対要素の誘導された磁界の合計がほぼゼロになるように制御することが可能であり、ゲートがチャネル領域に電界を誘導するようにさらに適合された磁気電気電界効果トランジスタである。
|B2|=|B3|、|B1|=|B4|および|B1|≠|B2|
|B1|=|B2|、|B3|=|B4|および|B1|≠|B3|
|B1|=|B2|=|B3|=|B4|
t=200nm(tは、磁性膜として形成される、磁気二重対要素の厚さである)
h=60nm(hは、磁性膜(すなわち、ゲートの底部)からの2DEGの距離である)
Dsd=500nm(Dsdは、ソースとドレインとの間の距離である)
w=150nm(wは、各磁気ストリップ(すなわち、各磁気二重対要素)の幅である)
キャリア移動度:1.5×104cm2/Vs(300K)および1.11×105cm2/Vs(10K)
キャリア濃度:2.3×1012cm2(300Kおよび10K)
ランデ因子|g|:3.8
ゲート長:0.5μm(300K)、しきい値電圧:−1V、
最大外因性相互コンダクタンス(300K):700mS/mm
ただし、m*、m0は、それぞれ電子の有効質量および実質量であり、g*は有効ランデ因子であり、σ=+1(スピンアップ電子)、−1(スピンダウン電子)であり、px、pyは、それぞれx方向およびy方向の電子運動量である。yにおける並進対称を考慮すると、電子の波動関数は
で与えられる。古典運動では、+pxを有してBz内を移動する電子は、ローレンツ力を受け、したがって、−yに偏向する。したがって、z方向の磁界の中をx方向に移動する電子は、運動の方向に運動エネルギーを消費して、横のy方向に運動エネルギーを取得する。このシステムは、自由度1のラグランジアン
で表すことが可能である(
はy方向の速度)。ラグランジアンのルジャンドル変換
を実行すると、式(1)のハミルトニアンにpy+eAyが加わったものが得られる。発明者らの研究では、図1の二重対を、二重対の右端で正味運動利得がゼロになるように設計している。使用可能な全エネルギーE−Ueffは、kxが消えていかないことを保証するのに常に十分である。これにより、ゼロA二重対の数を増やすことによってPを増やすことが可能である。計算を簡単にするために、次のように、すべてのパラメータを無次元単位まで小さくする:x→lBx、
、
、ωc=eB0/m*。B0は、何らかの、共通に達成可能な磁界である。
[1] Supriyo Datta, and Biswajit Das, Appl.Phys. Lett. 56 (7), 665 (1989)
[2] Amlan Majumdar, Phys. Rev. B 54, 11911(1996)
[3] Yong Guo, Binglin Gu, and Wenhui Duan,Yu Zhang, Phys. Rev. B 55,9314 (1997)
[4] G. Papp, F. M. Peeters, Appl. Phys.Lett. 78,2184 (2001)
[5] H. Z. Xu and Y. Okada, Appl. Phys.Lett. 79,3119 (2001)
[6] Y. Jiang, Jalil MBA, and T. S. Low, Appl.Phys. Lett. 80, 1673 (2002)
[7] Yong Guo, Jian-Hua Qin, Xn-Yi Chen, andBing-Lin Gu, Semicond. Sci. Technol. 18, 297-299 (2003)
[8] Takaaki Koga, Junsaku Nitta, TatsushiAkazaki, and Hideaki Takayanagi, Phys. Rev. Lett. 89, 046801-1 (2002)
[9] P. R. Hammar, B. R. Bennet, M. J. Yang,and Mark Johnson, Phys. Rev. Lett. 83,203 (1999)
[10] Jun-ichiro Inoue, Gerrit E. W. Bauer,and Laurens W. Molenkamp, Phys. Rev. B 67, 033104(2003)
[11] E. I. Rashba, and Al. L. Efros, Phys.Rev. Lett. 91, 126405 (2003)
[12] Laurens W. Molenkamp, G. Schmidt, andGerrit E. W. Bauer, Phys. Rev. B 64,121202 (R), 2001
[13] John Schliemann, and Daniel Loss,Phys. Rev. B 68, 165311 (2003)
[14] John Schliemann, J. Carlos Egues, andDaniel Loss, Phys. Rev. Lett. 90,146801-1 (2003)
[15] US patent 5,654,566
[16] US patent 6,218,718
Claims (22)
- 高電子移動度トランジスタ(HEMT)と同じチャネル領域と、
前記チャネル領域の一方の側に接続され、前記チャネル領域に電子を注入するように適合されたソースと、
前記チャネル領域の反対側に接続され、スピン偏極した電子を検出するように適合されたドレインと、
磁気デルタ障壁を誘導する4つの磁気要素からなる磁気二重対要素を少なくとも1つ備えるゲートとを備える磁気電気電界効果トランジスタであって、
前記各磁気要素は前記チャネル領域の電子の移動方向に対し垂直に磁界を誘導するように適合され、
各磁気二重対要素によって誘導された磁界の合計はゼロになるように制御されており、
前記ゲートは前記チャネル領域に電界を誘導すること
を特徴とする磁気電気電界効果トランジスタ。 - 前記ゲートが複数の磁気二重対要素を備える、請求項1に記載の磁気電気電界効果トランジスタ。
- 前記ソースが、非磁性体、強磁性体、半金属、および磁気半導体からなる群から選択される材料を含む、請求項1または2に記載の磁気電気電界効果トランジスタ。
- 前記ドレインが、強磁性体、半金属、および磁気半導体からなる群から選択される材料を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の磁気電気電界効果トランジスタ。
- 前記チャネル領域が、n + ドープアルミニウムガリウムヒ素からなる第1の層と、アルミニウムガリウムヒ素からなる第2の層と、ガリウムヒ素からなる第3の層とを含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の磁気電気電界効果トランジスタ。
- 前記ゲートが強磁性材料を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の磁気電気電界効果トランジスタ。
- 前記強磁性材料が、コバルトクロム白金、鉄白金、鉄コバルト、および、コバルトパラジウムから選択される合金である、請求項6に記載の磁気電気電界効果トランジスタ。
- 前記ゲートが少なくとも10個の磁気二重対要素を備える、請求項1〜7のいずれか一項に記載の磁気電気電界効果トランジスタ。
- 前記磁気二重対要素は、磁極が前記チャネル領域に平行に並べられている磁石によって形成される、請求項1〜8のいずれか一項に記載の磁気電気電界効果トランジスタ。
- 前記磁気二重対要素は、磁極が前記チャネル領域に垂直に並べられている磁石によって形成される、請求項1〜8のいずれか一項に記載の磁気電気電界効果トランジスタ。
- 前記ゲートが単極書き込みヘッドを備え、前記単極書き込みヘッドが、前記磁気二重対要素によって前記チャネル領域に誘導された磁界に作用するように適合されている、請求項1〜8のいずれか一項に記載の磁気電気電界効果トランジスタ。
- 前記ゲートの反対側の前記チャネル領域の下に軟磁性材料の層をさらに備える、請求項1〜11のいずれか一項に記載の磁気電気電界効果トランジスタ。
- 第1の磁気デルタ障壁によって誘導される磁界の強度がB1であり、第2の磁気デルタ障壁によって誘導される磁界の強度がB2であり、第3の磁気デルタ障壁によって誘導される磁界の強度がB3であり、第4の磁気デルタ障壁によって誘導される磁界の強度がB4であり、B1、B2、B3、およびB4は、互いに次の関係
|B2|=|B3|、|B1|=|B4|および|B1|≠|B2|
を有する、請求項1〜12のいずれか一項に記載の磁気電気電界効果トランジスタ。 - 第1の磁気デルタ障壁によって誘導される磁界の強度がB1であり、第2の磁気デルタ障壁によって誘導される磁界の強度がB2であり、第3の磁気デルタ障壁によって誘導される磁界の強度がB3であり、第4の磁気デルタ障壁によって誘導される磁界の強度がB4であり、B1、B2、B3、およびB4は、互いに次の関係
|B1|=|B2|、|B3|=|B4|および|B1|≠|B3|
を有する、請求項1〜12のいずれか一項に記載の磁気電気電界効果トランジスタ。 - 第1の磁気デルタ障壁によって誘導される磁界の強度がB1であり、第2の磁気デルタ障壁によって誘導される磁界の強度がB2であり、第3の磁気デルタ障壁によって誘導される磁界の強度がB3であり、第4の磁気デルタ障壁によって誘導される磁界の強度がB4であり、B1、B2、B3、およびB4は、互いに次の関係
|B1|=|B2|=|B3|=|B4|
を有する、請求項1〜12のいずれか一項に記載の磁気電気電界効果トランジスタ。 - 前記ゲートが、パターン化された層を備える、請求項1〜15のいずれか一項に記載の磁気電気電界効果トランジスタ。
- 前記誘導される磁界が、前記ゲートと前記チャネル領域との間の界面に垂直である、請求項1〜16のいずれか一項に記載の磁気電気電界効果トランジスタ。
- 前記誘導される磁界が、前記ゲートと前記チャネル領域との間の界面に平行であり、ソースからドレインに向かう線に垂直である、請求項1〜16のいずれか一項に記載の磁気電気電界効果トランジスタ。
- 各磁気二重対要素によって誘導される正味の磁界がゼロである、請求項1〜18のいずれか一項に記載の磁気電気電界効果トランジスタ。
- 請求項1〜19のいずれか一項に記載の磁気電気電界効果トランジスタを備える増幅器。
- 請求項1〜20のいずれか一項に記載の磁気電気電界効果トランジスタを備えるメモリチップ。
- 請求項1〜20のいずれか一項に記載の磁気電気電界効果トランジスタを備えるAND/NANDゲート。
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