JP4762285B2 - スピントランジスタ、集積回路、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 G. H. Fecher and C. Felser, J.Phys. D40, 1582 (2007) B. Balke et.al., Phys. Rev. B74 104405 (2006) J.Phys. : Cond.Matt. 16, 3089 (2004)
本発明の例では、ソース電極及びドレイン電極が共に強磁性層から構成されるスピントランジスタにおいて、ソース電極を構成する強磁性層を、高エネルギー側と低エネルギー側に二つのマイノリティースピンバンドを有し、二つのマイノリティースピンバンドのギャップの中央よりも高エネルギー側にフェルミ準位を持つ強磁性体から構成し、IDP/IDAP比の劣化を防止する。
本発明の例に係わるスピントランジスタおいて、ソース電極及びドレイン電極の相対的な磁化方向が略平行なときのドレイン電流をIDPとし、相対的な磁化方向が略反平行であるときのドレイン電流をIDAPとしたときに、ソース-ドレイン電極間に有限バイアスを印加した際のIDP/IDAP比を大きくする原理について説明する。
ハーフメタルとしてCo2FeAl1-xSixを使用する場合は、以下の通りである。
(1) 第1基本構造
図4は、第1基本構造を示している。
図5は、第2基本構造を示している。
図6は、第3基本構造を示している。
図7は、第4基本構造を示している。
第1乃至第4基本構造は、本発明に最低限必要な構成要素について規定したものであり、次に説明する実施例で示すように、さらに構成要素を付加して、高性能なスピントランジスタとすることが可能である。
(1) 第1実施例
図8は、第1実施例に関わるスピントランジスタを示している。
このスピントランジスタは、MOSFET構造を有する。
図9は、第2実施例に関わるスピントランジスタを示している。
このスピントランジスタは、J−FET構造又はMESFET構造を有する。
図10は、第3実施例に関わるスピントランジスタを示している。
このスピントランジスタは、MOSFET構造を有する。第3実施例は、第1実施例の変形例である。
図11は、第4実施例に関わるスピントランジスタを示している。
このスピントランジスタは、J−FET構造又はMESFET構造を有する。第4実施例は、第2実施例の変形例である。
図12は、第5実施例に関わるスピントランジスタを示している。
このスピントランジスタは、MOSFET構造を有する。第5実施例は、第3実施例の変形例である。
図13は、第6実施例に関わるスピントランジスタを示している。
このスピントランジスタは、J−FET構造又はMESFET構造を有する。第6実施例は、第4実施例の変形例である。
図14は、第7実施例に関わるスピントランジスタを示している。
このスピントランジスタは、MOSFET構造を有する。
このため、非磁性層5は、トンネルバリア層としてもよい。
図16は、第8実施例に関わるスピントランジスタを示している。
このスピントランジスタは、J−FET構造又はMESFET構造を有する。
このため、非磁性層5は、トンネルバリア層としてもよい。
第9実施例は、上述した第1〜第8実施例のデバイスに使用する材料に関する。
・ GeMn、SiCNi、SiCMn、SiCFe、ZnMnTe、ZnCrTe、BeMnTe、ZnVO、ZnMnO、ZnCoO、GaMnAs、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
また、これらの磁性材料に、Ag(銀)、Cu(銅)、Au(金)、Al(アルミニウム)、Ru(ルテニウム)、Os(オスニウム)、Re(レニウム)、Ta(タンタル)、B(ボロン)、C(炭素)、O(酸素)、N(窒素)、Pd(パラジウム)、Pt(白金)、Zr(ジルコニウム)、Ir(イリジウム)、W(タングステン)、Mo(モリブデン)、Nb(ニオブ)などの非磁性元素を添加して、磁気特性を調節したり、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節することも可能である。
以下、実際に本発明の例に係わるサンプルを作成し、その特性を評価した実験例を説明する。
サンプルは、図17に示す手順により製造したスピントランジスタである。
本発明の例に係わるスピントランジスタは、以下の適用が可能である。
本発明の例に係るスピントランジスタは、ロジックLSIなどの集積回路に適用できる。例えば、スピントランジスタのメモリ機能を利用し、1つの回路により複数のロジックを選択的に使用することが可能である。
このロジック回路は、スピントランジスタSN1の状態により、入力信号Aの通過を許可/禁止する機能を有する。
次に、本発明の例に係るスピントランジスタを磁気メモリに適用する場合の例について説明する。
本発明の例に係わるスピントランジスタは、1チップ上に搭載されたシステムを構成することができる。この場合、上述の磁気メモリと組み合わせることも可能である。
本発明の例に係るスピントランジスタは、磁気メモリの周辺回路に使用する。メモリセルアレイは、例えば、MRAM (magnetic random access memory)、FeRAM (ferroelectric random access memory)、フラッシュメモリ(NAND型、NOR型など)である。また、メモリセルアレイとしては、本発明の例に係るスピントランジスタをメモリセルとしてもよい。
システムLSIは、SoC(system on chip)を含む。
本発明の例に係るスピントランジスタは、ロジック回路に使用する。また、メモリ回路については、通常の半導体メモリの他、本発明の例に係るスピントランジスタをメモリセルとする半導体メモリ、本発明の例に係る磁気メモリなどを使用できる。
本発明の例に係わるスピントランジスタは、さらに、以下の適用及び変形が可能である。例えば、チャネルタイプとしては、エンハンスメント型及びデプレッション型のいずれにも適用可能である。チャネルの製造方法としては、イオン注入の他、変調ドープを用いたヘテロ界面成長プロセスを利用してもよい。また、傾斜基板上に半導体材料をエピタキシャル成長させてスピントランジスタを形成することもできる。
本発明によれば、スピントランジスタのソース-ドレイン電極間に有限バイアスを印加した際のIDP/IDAP比の劣化を防止することができる。
Claims (22)
- 磁化方向が不変の第1強磁性層と、磁化方向が可変の第2強磁性層と、前記第1強磁性層と前記第2強磁性層との間の半導体層と、前記半導体層上のゲート電極とを具備し、前記第2強磁性層の磁化方向によりデータを記憶するスピントランジスタにおいて、読み出し動作時に前記第1強磁性層から前記第2強磁性層へ電子を流し、かつ、前記第1強磁性層に用いる強磁性体は、高エネルギー側と低エネルギー側に二つのマイノリティースピンバンドを有し、前記二つのマイノリティースピンバンドのギャップの中央よりも高エネルギー側にフェルミ準位を持つことを特徴とするスピントランジスタ。
- 磁化方向が不変の第1強磁性層と、磁化方向が可変の第2強磁性層と、前記第1強磁性層と前記第2強磁性層との間の半導体層と、前記半導体層上のゲート電極とを具備し、前記第2強磁性層の磁化方向によりデータを記憶するスピントランジスタにおいて、読み出し動作時に前記第2強磁性層から前記第1強磁性層へ電子を流し、かつ、前記第2強磁性層に用いる強磁性体は、高エネルギー側と低エネルギー側に二つのマイノリティースピンバンドを有し、前記二つのマイノリティースピンバンドのギャップの中央よりも高エネルギー側にフェルミ準位を持つことを特徴とするスピントランジスタ。
- 磁化方向が不変の第1強磁性層と、磁化方向が可変の第2強磁性層と、前記第1強磁性層と前記第2強磁性層との間の半導体層と、前記半導体層上のゲート電極とを具備し、前記第2強磁性層の磁化方向によりデータを記憶するスピントランジスタにおいて、
読み出し動作時に前記第1強磁性層から前記第2強磁性層へ電子を流し、
前記第1及び第2強磁性層に用いる強磁性体は、高エネルギー側と低エネルギー側に二つのマイノリティースピンバンドを有し、
前記第1強磁性層に用いる強磁性体は、前記二つのマイノリティースピンバンドのギャップの中央よりも高エネルギー側にフェルミ準位を持ち、
前記第2強磁性層に用いる強磁性体は、前記二つのマイノリティースピンバンドのギャップの中央よりも低エネルギー側にフェルミ準位を持つ
ことを特徴とするスピントランジスタ。 - 磁化方向が不変の第1強磁性層と、磁化方向が可変の第2強磁性層と、前記第1強磁性層と前記第2強磁性層との間の半導体層と、前記半導体層上のゲート電極とを具備し、前記第2強磁性層の磁化方向によりデータを記憶するスピントランジスタにおいて、
読み出し動作時に前記第2強磁性層から前記第1強磁性層へ電子を流し、
前記第1及び第2強磁性層に用いる強磁性体は、高エネルギー側と低エネルギー側に二つのマイノリティースピンバンドを有し、
前記第1強磁性層に用いる強磁性体は、前記二つのマイノリティースピンバンドのギャップの中央よりも低エネルギー側にフェルミ準位を持ち、
前記第2強磁性層に用いる強磁性体は、前記二つのマイノリティースピンバンドのギャップの中央よりも高エネルギー側にフェルミ準位を持つ
ことを特徴とするスピントランジスタ。 - 前記強磁性体は、Co2FeAl1-xSix(1 > x > 0.5)、Co2Mn1-xFexSi(1 > x > 0.5)及びCo2Cr1-xFexAl(1 > x > 0.4)のうちの1つであることを特徴とする請求項1又は2に記載のスピントランジスタ。
- 前記第1強磁性層に用いる強磁性体は、Co 2 FeAl 1-x Si x (1 > x > 0.5)、Co 2 Mn 1-x Fe x Si(1 > x > 0.5)及びCo 2 Cr 1-x Fe x Al(1 > x > 0.4)のうちの1つであり、
前記第2強磁性層に用いる強磁性体は、Co2FeAl1-xSix(0 < x < 0.5)、Co2Mn1-xFexSi(0 < x < 0.5)及びCo2Cr1-xFexAl(0 < x < 0.4)のうちの1つであることを特徴とする請求項3に記載のスピントランジスタ。 - 前記第2強磁性層に用いる強磁性体は、Co 2 FeAl 1-x Si x (1 > x > 0.5)、Co 2 Mn 1-x Fe x Si(1 > x > 0.5)及びCo 2 Cr 1-x Fe x Al(1 > x > 0.4)のうちの1つであり、
前記第1強磁性層に用いる強磁性体は、Co 2 FeAl 1-x Si x (0 < x < 0.5)、Co 2 Mn 1-x Fe x Si(0 < x < 0.5)及びCo 2 Cr 1-x Fe x Al(0 < x < 0.4)のうちの1つであることを特徴とする請求項4に記載のスピントランジスタ。 - 前記強磁性体は、ハーフメタルであることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載のスピントランジスタ。
- 前記強磁性体は、X2YZ (但し、Xは、Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Ir, Pt, Auから選ばれる元素、Yは、Ti, V, Cr, Mn, Feから選ばれる元素、Zは、Al, Ga, Si, Ge, Snから選ばれる元素)を含み、前記Yにおいて選ばれた元素の組成比及び前記Zにおいて選ばれた元素の組成比の少なくともいずれかは、フェルミ準位が前記二つのマイノリティースピンバンドのギャップの中央に位置する組成比と比べて、電子数がより多い元素をより多く含む組成比であることを特徴とする請求項1又は2に記載のスピントランジスタ。
- 前記第1強磁性層に用いる強磁性体は、X 2 YZ (但し、Xは、Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Ir, Pt, Auから選ばれる元素、Yは、Ti, V, Cr, Mn, Feから選ばれる元素、Zは、Al, Ga, Si, Ge, Snから選ばれる元素)を含み、前記Yにおいて選ばれた元素の組成比及び前記Zにおいて選ばれた元素の組成比の少なくともいずれかは、フェルミ準位が前記二つのマイノリティースピンバンドのギャップの中央に位置する組成比と比べて、電子数がより多い元素をより多く含む組成比であり、
前記第2強磁性層に用いる強磁性体は、X2YZ (但し、Xは、Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Ir, Pt, Auから選ばれる元素、Yは、Ti, V, Cr, Mn, Feから選ばれる元素、Zは、Al, Ga, Si, Ge, Snから選ばれる元素)を含み、前記Yにおいて選ばれた元素の組成比及び前記Zにおいて選ばれた元素の組成比の少なくともいずれかは、フェルミ準位が前記二つのマイノリティースピンバンドのギャップの中央に位置する組成比と比べて、電子数がより多い元素をより少なく含む組成比であることを特徴とする請求項3に記載のスピントランジスタ。 - 前記第2強磁性層に用いる強磁性体は、X 2 YZ (但し、Xは、Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Ir, Pt, Auから選ばれる元素、Yは、Ti, V, Cr, Mn, Feから選ばれる元素、Zは、Al, Ga, Si, Ge, Snから選ばれる元素)を含み、前記Yにおいて選ばれた元素の組成比及び前記Zにおいて選ばれた元素の組成比の少なくともいずれかは、フェルミ準位が前記二つのマイノリティースピンバンドのギャップの中央に位置する組成比と比べて、電子数がより多い元素をより多く含む組成比であり、
前記第1強磁性層に用いる強磁性体は、X 2 YZ (但し、Xは、Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Ir, Pt, Auから選ばれる元素、Yは、Ti, V, Cr, Mn, Feから選ばれる元素、Zは、Al, Ga, Si, Ge, Snから選ばれる元素)を含み、前記Yにおいて選ばれた元素の組成比及び前記Zにおいて選ばれた元素の組成比の少なくともいずれかは、フェルミ準位が前記二つのマイノリティースピンバンドのギャップの中央に位置する組成比と比べて、電子数がより多い元素をより少なく含む組成比であることを特徴とする請求項4に記載のスピントランジスタ。 - 前記半導体層と前記ゲート電極との間の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乃至11のいずれか1項に記載のスピントランジスタ。
- 前記ゲート電極は、前記半導体層に直接接触することを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載のスピントランジスタ。
- 前記第1強磁性層上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13のいずれか1項に記載のスピントランジスタ。
- 前記第2の強磁性層上の非磁性層と、前記非磁性層上の磁化方向が不変の第3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14のいずれか1項に記載のスピントランジスタ。
- 前記第3強磁性層上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15に記載のスピントランジスタ。
- 前記第1強磁性層と前記半導体層との間及び前記第2強磁性層と前記半導体層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16のいずれか1項に記載のスピントランジスタ。
- 請求項1乃至17のいずれか1項に記載のスピントランジスタを具備する集積回路。
- 請求項1乃至17のいずれか1項に記載のスピントランジスタをメモリセルとして具備する磁気メモリ。
- 請求項1乃至17のいずれか1項に記載のスピントランジスタにおいて、前記第1強磁性層に接続される第1ビット線と、前記第2強磁性層に接続される第2ビット線と、前記ゲート電極に接続される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及び第2ビット線に接続され、前記第2強磁性層の磁化方向を反転させる書き込み電流を発生させる書き込み回路をさらに具備し、前記第2強磁性層に記憶させるデータは、前記書き込み電流の向きにより決定されることを特徴とする請求項20に記載の磁気メモリ。
- 前記第1及び第2ビット線のいずれか一方に接続され、前記読み出し動作時に前記第2強磁性層に記憶されたデータをセンス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20又は21に記載の磁気メモリ。
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