JP4867544B2

JP4867544B2 - スピントルクトランジスタ

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Publication number: JP4867544B2
Application number: JP2006256387A
Authority: JP
Inventors: 亨及川
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2026-09-21
Also published as: JP2008078422A

Description

本発明は、スピントルクトランジスタに関する。

トランジスタは、その制御端子への入力に応じて入出力間の抵抗値が変化する素子として知られている。導体の両端にそれぞれ磁性体を介して入力端子及び出力端子を設け、導体の中央に被制御用磁性体を取り付けると、この被制御用磁性体の磁化の向きに応じて、導体内部に蓄積されるスピン量が変化する。蓄積されるスピン量が多い場合には導体の抵抗値が大きくなり、少ない場合には導体の抵抗値は小さくなる。すなわち、被制御用磁性体の磁化の向きに応じて入出力端子間の導体の抵抗値が変化するスピントルクトランジスタが完成する。

現在のスピン流駆動デバイスは、例えば（非特許文献１）に記載されているが、スピントルクトランジスタ自体は、Ｂａｕｅｒ氏らによって提案された（非特許文献２）。

スピントルクトランジスタの周辺技術として、非特許文献３では磁性体／半導体融合新機能素子が開示されている。また、非特許文献４では、トンネル磁気抵抗効果について記載されている。このような文献では、ＭｇＯを用いたトンネル効果について記載されている。ＭｇＯに関する結晶学的な解析は、非特許文献５に記載されている。また、トンネルバリア層間にＣｕなどの導体を介在させた場合の効果については非特許文献６に記載されている。更に、Ｂａｕｅｒ氏を含めたトンネル型磁気抵抗効果（ＴＭＲ）に関する国際的な研究は、独立行政法人新エネルギー産業総合開発機構（ＮＥＤＯ）の国際共同研究助成事業における２００１年度採択の研究テーマ「ナノスケール磁気エレクトロニクスの制御と応用」においても紹介される（非特許文献７）。
加々美健朗他、「実用化段階に入ったＴＭＲヘッド技術とその次世代技術」、日本応用磁気学会、第１４５回研究資料、２００６年１月３０日、ｐｐ６３−６８ＧｅｒｒｉｔＥ．Ｗ．Ｂａｕｅｒ、Ａ．Ｂｒａｔａａｓ、Ｙ．Ｔｓｅｒｋｏｖｎｙａｋ、Ｂ．Ｊ．ＶａｎＷｅｅｓ、 "Ｔｈｅｓｐｉｎ−ｔｏｒｑｕｅｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ"，Ａｐｐ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８２，３９２８，（２００３）佐藤利江、水島公一、「スピンバルブトランジスタ」、東芝レビュー、Ｖｏｌ．５７、Ｎｏ．４、２００２年、ｐｐ３５−３８湯浅新治、「トンネル磁気抵抗効果の物理と応用」、第４回スピンエレクトロニクス入門セミナー、応用物理学会、２００５年１２月８日、ｐｐ４０−４８Ｘ．−Ｇ．Ｚｈａｎｇ、Ｗ．Ｈ．Ｂｕｔｌｅｒ、「ＬａｒｇｅｍａｇｎｅｔｒｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｉｎｂｃｃＣｏ／ＭｇＯ／ＣｏａｎｄＦｅＣｏ／ＭｇＯ．／ＦｅＣｏｔｕｎｎｅｌｊｕｎｃｔｉｏｎｓ」、ＰＨＹＳＩＣＡＬＲｅｖｉｅｗＢ７０、２００４年、１７２４０７Ｓ．Ｙｕａｓａ，Ｔ．Ｎａｇａｈａｍａ，Ｙ．Ｓｕｚｕｋｉ，「Ｓｐｉｎ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄＲｅｓｏｎａｎｔＴｕｎｎｅｌｉｎｇｉｎＭａｇｎｅｔｉｃＴｕｎｎｅｌＪｕｎｃｔｉｏｎｓ」、ＳＣＩＥＮＣＥ，２００２年７月１２日、Ｖｏｌ．２９７、ｐｐ２３４−２３７井上順一郎、他７名、「ナノスケール磁気エレクトロニクスの制御と応用」、［平成１８年７月３１日検索］、インターネット（ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｅｄｏ．ｇｏ．ｊｐ／ｉｔｄ／ｇｒａｎｔ／ｐｄｆ／２００１ｍｂ１０２．ｐｄｆ）

しかしながら、本願発明者の知見によれば、従来のスピントルクトランジスタを大きな増幅率で駆動する場合には、ハーフメタルのようなスピン分極率ｐが０．９以上のものを入力端子に使用する必要がある旨を発見した。ハーフメタルとは、アップスピン及びダウンスピンのいずれかの状態の電子に対してのみ選択的に導体となる物質であるが、常温で実用的なハーフメタルはまだ発見されておらず、スピントルクトランジスタ開発上の大きな障害となっている。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、高い増幅率で駆動可能なスピントルクトランジスタを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係るスピントルクトランジスタは、第１非磁性導体に電気的に接続された入力端子及び出力端子を備えるスピントルクトランジスタにおいて、第１非磁性導体における入力端子と出力端子との間の電子通過領域に取り付けられ、磁化の向きが制御される第１被制御用磁性体を有するゲート手段と、入力端子と第１非磁性導体との間に介在し、一方向の磁化の向きを有する入力側磁性体と、入力側磁性体と第１非磁性導体との間に介在する第１トンネルバリア層と、出力端子と第１非磁性導体との間に介在し、上記一方向とは逆の磁化の向きの成分を有する出力側磁性体とを備え、前記ゲート手段は、前記第１被制御用磁性体と、前記第１被制御用磁性体に静磁結合した第２被制御用磁性体と、前記第１及び第２被制御用磁性体間に介在する電流阻止層と、を備えることを特徴とする。

第１非磁性導体には、一方向の磁化の向きを有する入力側磁性体と、逆向きの出力側磁性体が設けられているので、入力側磁性体を介して第１非磁性導体に特定極性のスピンを注入すると、このスピンは第１非磁性導体内に蓄積される。ゲート手段の第１被制御用磁性体の磁化の向きを制御すると、第１非磁性導体に蓄積されるスピン量が変化する。例えば、入力側磁性体の磁化の向きに直交する方向に第１被制御用磁性体の磁化の向きを制御すると、第１非磁性導体内のスピン蓄積量が減少し、第１非磁性導体の抵抗値が小さくなる。ここで、入力側磁性体と第１非磁性導体との間に第１トンネルバリア層を介在させると、入力側磁性体を介して第１非磁性導体に流れ込む特定スピンの選択性が著しく改善し、スピン分極率が向上する。本願発明者によれば、スピン分極率が向上すると、トランジスタの電流増幅率は飛躍的に増加することが判明した。このように、本発明のスピントルクトランジスタでは、第１トンネルバリア層を用いてスピン分極率を向上させることにより、ハーフメタルを用いなくても、スピントルクトランジスタの電流増幅率を飛躍的に向上させることができるようになった。

また、上述のように、本発明に係るスピントルクトランジスタのゲート手段は、第１被制御用磁性体と、第１被制御用磁性体に静磁結合した第２被制御用磁性体と、第１及び第２被制御用磁性体間に介在する電流阻止層とを備えることが好ましい。ゲート手段は、スピン流は流れても電流（電子流）は流れないようにするため、第１及び第２被制御用磁性体間に電流阻止層を介在させている。第１被制御用磁性体の磁化の向きは、入力端子から第１非磁性導体を介してこれに流れ込むスピン流によって制御することができる。第１被制御用磁性体は、第２被制御用磁性体に静磁結合しているので、ゲート手段は、全体としては第１被制御用磁性体の磁化の向きと第２被制御用磁性体の磁化の向きを合成した磁化の向きを有する。このように、ゲート手段の磁化の向きを制御して、第１非磁性導体に蓄積されるスピン量を制御し、以って第１非磁性導体の抵抗値を制御することが可能となる。

第２被制御用磁性体の磁化の向きを制御するため、本発明のスピントルクトランジスタは、第２被制御用磁性体に取り付けられた第２非磁性導体と、第２非磁性導体に電気的に接続された制御用入力端子及び制御用出力端子と、制御用入力端子と第２非磁性導体との間に介在し、前記一方向と直交する磁化の向きの成分を有する制御用入力側磁性体と、制御用入力側磁性体と第２非磁性導体との間に介在する第２トンネルバリア層と、制御用出力端子と第２非磁性導体との間に介在し、前記直交する成分とは逆向きの磁化の向きの成分を有する制御用出力側磁性体とを備えることが好ましい。

制御用入力端子と制御用出力端子との間に電流（電子流）を流すと、直交方向の磁化の向きを有する制御用入力側磁性体を通ったスピンがゲート手段の第２被制御用磁性体に注入され、この磁性体の磁化の向きが直交方向に揃ってくる。第２被制御用磁性体は、第１被制御用磁性体に静磁結合しているので、これらの磁化の向きは全体として直交方向に揃ってくる。この場合、第１非磁性導体におけるスピン蓄積量は少なくなるため、第１非磁性導体の抵抗値は小さくなる。すなわち、入力端子と制御用入力端子を介して入力される電流比（電子流比）に応じて、ゲート手段の磁化の向きが変わり、この磁化の向きに応じて第１非磁性導体に蓄積されるスピン量が変化し、すなわち、抵抗値が変化することとなる。

また、電流阻止層は、トンネル効果が生じない厚みの絶縁体からなることが好ましい。この場合、ゲート手段の第１及び第２被制御用磁性体間には電流（電子流）は原則的には流れないが、スピン流は流れ、制御用入力端子に入力される電流（電子流）とは独立に入出力端子間を流れる電流（電子流）を制御することが可能となる。

本発明のスピントルクトランジスタによれば、高い増幅率で駆動することが可能となる。

以下、実施の形態に係るスピントルクトランジスタについて説明する。同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、実施の形態に係るスピントルクトランジスタ１０の断面構成を示す図である。

スピントルクトランジスタ１０は、第１非磁性導体１に接触し、電気的に接続されたトンネルバリア層（第１トンネルバリア層）ＴＩと、金属電極からなる入力端子ＩＴと、入力端子ＩＴと、トンネルバリア層ＴＩと入力端子ＩＴとの間に介在する入力側磁性体ＦＩとを備えている。スピントルクトランジスタ１０は、第１非磁性導体１に接触し、電気的に接続されたトンネルバリア層ＴＯと、金属電極からなる出力端子ＯＴと、出力端子ＯＴと、トンネルバリア層ＴＯと出力端子ＯＴとの間に介在する出力側磁性体ＦＯとを備えている。

ソース配線ＳＷから入力端子ＩＴに電子流Ｉ_ＳＤを流すと、電子流Ｉ_ＳＤは、入力側磁性体ＦＩ、トンネルバリア層ＴＩを順次介して第１非磁性導体１に流れ込み、トンネルバリア層ＴＯ、出力側磁性体ＦＯ、出力端子ＯＴを順次介してドレイン配線ＤＷに流れ、グランドに流れる。入力側磁性体ＦＩの設けられた位置と出力側磁性体ＦＯの設けられた位置との間の導体１の距離Ｌｃは、導体１のスピン拡散長よりも短く設定されており、これらの間をスピンが流れることができる。なお、距離Ｌｃは取り付け位置の重心間の距離とする。

スピントルクトランジスタ１０は、第２非磁性導体２に接触し、電気的に接続されたトンネルバリア層（第２トンネルバリア層）ＣＴＩと、金属電極からなる制御用入力端子ＣＩＴと、入力端子ＣＩＴと、トンネルバリア層ＣＴＩと制御用入力端子ＣＩＴとの間に介在する制御用入力側磁性体ＣＦＩとを備えている。スピントルクトランジスタ１０は、第２非磁性導体２に接触し、電気的に接続されたトンネルバリア層ＣＴＯと、金属電極からなる制御用出力端子ＣＯＴと、制御用出力端子ＣＯＴと、トンネルバリア層ＣＴＯと制御用出力端子ＣＯＴとの間に介在する制御用出力側磁性体ＣＦＯとを備えている。

ベース配線ＢＷから制御用入力端子ＣＩＴに制御用の電子流Ｉ_Ｂを流すと、電子流Ｉ_Ｂは、制御用入力側磁性体ＣＦＩ、トンネルバリア層ＣＴＩを順次介して第２非磁性導体２に流れ込み、トンネルバリア層ＣＴＯ、制御用出力側磁性体ＣＦＯ、制御用出力端子ＣＯＴを順次介して出力配線ＯＷに流れ、グランドに流れる。制御用入力側磁性体ＣＦＩの設けられた位置と制御用出力側磁性体ＣＦＯの設けられた位置との間の導体２の距離Ｌｃは、導体２のスピン拡散長よりも短く設定されており、これらの間をスピンが流れることができる。

第１非磁性導体１と第２非磁性導体との間にはゲート手段（ゲート部）ＧＭが介在している。ゲート手段ＧＭは厚み方向にスピン流が流れることを許容し、電子流が流れることを禁止している。ゲート手段ＧＭは、第１非磁性導体１に接触し、電気的に接続された第１被制御用磁性体ＧＭ１と、第１被制御用磁性体ＧＭ１に静磁結合（反強磁性結合）し、第２非磁性導体２に接触し、電気的に接続された第２被制御用磁性体ＧＭ２と、第１及び第２被制御用磁性体ＧＭ１，ＧＭ２の間に介在する電流阻止層ＢＬとを備えている。なお、磁性体に電流を流すと分極率に比例したスピン流が発生し、磁性体/非磁性体界面に電流を流すとスピン流が発生する。

電流阻止層ＢＬは、トンネル効果が生じない厚みの絶縁体からなることが好ましい。ゲート手段ＧＭが全体として絶縁性の強磁性体であってもよい。絶縁性の強磁性体としては酸化物強磁性体ＹＩＧなどが知られている。ゲート手段ＧＭの第１及び第２被制御用磁性体ＧＭ１、ＧＭ２間には電流（電子流）は原則的には流れないが、スピン流は流れ、制御用入力端子ＣＩＴに入力される電流（電子流）とは独立に入出力端子ＩＴ，ＯＴの間を流れる電流（電子流）を制御することが可能となる。

入力側磁性体ＦＩの磁化の向きを＋Ｚ方向とすると、出力側磁性体ＦＯの磁化の向きはこれとは逆であって−Ｚ方向を向いている。制御用入力側磁性体ＣＦＩの磁化の向きを＋Ｘ方向とすると、制御用出力側磁性体ＣＦＯの磁化の向きはこれとは逆であって−Ｘ方向を向いている。逆方向の磁化の向きを有する２つの磁性体を導体（非磁性金属）を介してスピン拡散長以内に取り付けて電子を流すと、磁性体と導体の界面近傍にスピンが蓄積される。スピン蓄積量が多いほど導体の抵抗値は大きくなる。

ゲート手段ＧＭを構成する静磁結合した２つの磁性体ＧＭ１，ＧＭ２の磁化の向きは互いに逆方向を向いており、これらの注入されるスピンの極性に応じて全体の磁化方向が変動する。ゲート手段ＧＭの磁化方向に応じて、第１非磁性導体１に蓄積されるスピン量が変動するので、ゲート手段ＧＭの磁化方向に応じて第１非磁性導体１の抵抗値、すなわち、これを流れる電子流の大きさを制御することができる。ゲート手段ＧＭの磁性体ＧＭ１に注入されるスピンは入力側磁性体ＦＩの磁化の向きを有しており、磁性体ＧＭ１の磁化の向きをＺ方向に向けようとする。ゲート手段ＧＭの磁性体ＧＭ２に注入されるスピンは制御用入力側磁性体ＣＦＩの磁化の向きを有しており、磁性体ＧＭ２の磁化の向きをＸ方向に向けようとする。したがって、これら磁化の向きを合成すると、Ｚ成分とＸ成分を有し、Ｚ方向からＸ方向に向けて角度θを有する磁化方向となる。角度θが大きくなると、第１非磁性導体１に蓄積されるスピン量が小さくなり、したがって抵抗値は小さくなる。一方、角度θが小さくなると、第１非磁性導体１に蓄積されるスピン量が大きくなり、したがって抵抗値は大きくなる。

以上、説明したように、上述のスピントルクトランジスタ１０は、第１非磁性導体１に電気的に接続された入力端子ＩＴ及び出力端子ＯＴを備えるスピントルクトランジスタ１０において、第１非磁性導体１における入力端子ＩＴと出力端子ＯＴとの間の電子通過領域に取り付けられ、磁化の向きが制御される第１被制御用磁性体ＧＭ１を有するゲート手段ＧＭと、入力端子ＩＴと第１非磁性導体１との間に介在し、一方向（＋Ｚ）の磁化の向きを有する入力側磁性体ＦＩと、入力側磁性体ＦＩと第１非磁性導体１との間に介在する第１トンネルバリア層ＴＩと、出力端子ＯＴと第１非磁性導体１との間に介在し、上記一方向（＋Ｚ）とは逆の磁化の向き（−Ｚ）の成分を有する出力側磁性体ＦＯとを備えている。なお、トンネルバリア層の厚みはトンネル効果が生じる厚みである。

第１非磁性導体１には、＋Ｚ方向の磁化の向きを有する入力側磁性体ＦＩと、−Ｚ方向の出力側磁性体ＦＯが設けられているので、入力側磁性体ＦＩを介して第１非磁性導体１に特定極性のスピンを有する電子を注入すると、このスピンは第１非磁性導体１内に蓄積される。なお、各トンネルバリア層と各磁性体は接触しているので、特定極性のスピンの高い選択透過性を有している。

ゲート手段ＧＭの第１被制御用磁性体ＧＭ１の磁化の向き（θ）を制御すると、第１非磁性導体１に蓄積されるスピン量が変化する。例えば、制御用入力側磁性体ＣＴＩを介して電子を注入して第２被制御用磁性体ＧＭ２の磁化の向きを偏向するなどして、入力側磁性体ＦＩの磁化の向き（＋Ｚ）に直交する方向（＋Ｘ）に、第１被制御用磁性体ＧＭ１の磁化の向きを制御すると、第１非磁性導体１内のスピン蓄積量が減少し、第１非磁性導体１の抵抗値が小さくなる。詳説すれば、第１被制御用磁性体ＧＭ１の磁化の向きは、入力端子ＩＴから第１非磁性導体１を介して第１被制御用磁性体ＧＭ１に流れ込むスピン流、制御用入力端子ＣＩＴから第２非磁性導体２を介して第２被制御用磁性体ＧＭ２に流れ込むスピン流によって制御することができる。

入力側磁性体ＦＩと第１非磁性導体１との間にはトンネルバリア層ＴＩが介在しており、入力側磁性体ＦＩを介して第１非磁性導体１に流れ込む特定スピンの選択性が著しく改善し、スピン分極率が向上する。スピン分極率が向上すると、スピントルクトランジスタ１０の電流増幅率は飛躍的に増加する。スピントルクトランジスタ１０は、トンネルバリア層ＴＩを用いてスピン分極率を向上させることにより、ハーフメタルを用いなくても、スピントルクトランジスタ１０の電流増幅率を飛躍的に向上させることができる。

上述のように、第２被制御用磁性体ＧＭ２の磁化の向きを制御するため、スピントルクトランジスタ１０は、第２被制御用磁性体ＧＭ２に取り付けられた第２非磁性導体２と、第２非磁性導体２に電気的に接続された制御用入力端子ＣＩＴ及び制御用出力端子ＣＯＴと、制御用入力端子ＣＩＴと第２非磁性導体２との間に介在し、Ｚ方向と直交する磁化の向き（＋Ｘ）の成分を有する制御用入力側磁性体ＣＦＩと、制御用入力側磁性体ＣＦＩと第２非磁性導体２との間に介在するトンネルバリア層ＣＴＩと、制御用出力端子ＣＯＴと第２非磁性導体２との間に介在し、直交する成分（＋Ｘ）とは逆向き（−Ｘ）の磁化の向きの成分を有する制御用出力側磁性体ＣＦＯとを備えている。

制御用入力端子ＣＩＴと制御用出力端子ＣＯＴとの間に電流（電子流）を流すと、直交方向（Ｘ）の磁化の向きを有する制御用入力側磁性体ＣＦＩを通ったスピンがゲート手段ＧＭの第２被制御用磁性体ＧＭ２に注入され、磁性体ＧＭ２の磁化の向きがＸ方向に揃ってくる。第２被制御用磁性体ＧＭ２は、第１被制御用磁性体ＧＭ１に静磁結合しているので、これらの磁化の向きは全体として直交方向に揃ってくる。この場合、第１非磁性導体１におけるスピン蓄積量は少なくなるため、第１非磁性導体１の抵抗値は小さくなる。すなわち、入力端子ＩＴと制御用入力端子ＣＩＴを介して入力される電流比（電子流比）に応じて、ゲート手段ＧＭの磁化の向きが変わり、この磁化の向きに応じて第１非磁性導体１に蓄積されるスピン量が変化し、すなわち、抵抗値が変化し、電子量Ｉ_ＳＤが変化することとなる。

詳説すれば、ソース側は磁化反平行のＣＰＰ−ＧＭＲ（ＣｕｒｒｅｎｔＰｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒＰｌａｎｅ−ｔｏＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）の構造であり、ベース側も同様である。ゲート手段ＧＭは磁性体であり、磁気的にはソース側、ベース側に接続しているが、ゲート手段ＧＭには電流は流れない。すなわち、ゲート手段ＧＭには電流は流れないが、スピン流は流れると仮定されている。ソース側の入力端子ＩＴには電圧μＦが入力され、ベース側の制御用入力端子ＣＩＴには電圧μＢが入力される。ソースからドレインには電子流Ｉ_ＳＤが流れる。ゲート手段ＧＭの磁化の向きが回転すると、電子流Ｉ_ＳＤの大きさが変化する。

ここで、スピン蓄積について説明しておく。

図２は、ＣＰＰ−ＧＭＲにおけるスピン蓄積の様子を示す図である。

逆の磁化の向きを有する２つの磁性体Ｆ１，Ｆ２の間に導体Ｎが設けられている（図２（ａ））。このように磁化が反平行状態である場合には、蓄積されたスピンＳＡの量が多くなり、抵抗値Ｒが増加する（Ｒ≧Ｒ_０）。

一方、同一の磁化の向きを有する２つの磁性体Ｆ１，Ｆ２の間に導体Ｎが設けられている場合（図２（ｂ））、すなわち、磁化が平行状態である場合には、蓄積されたスピンＳＡの量が少なくなり、抵抗値Ｒが減少する（Ｒ＜Ｒ_０）。

図３は、スピントルクトランジスタにおけるスピン蓄積の様子を示す図である。逆の磁化の向きを有する２つの磁性体Ｆ１，Ｆ２の間に導体Ｎが設けられている（図３（ａ））が、ゲート手段（第１被制御用磁性体ＧＭ１）ＧＭの磁化の向きは、入力側磁性体Ｆ１の磁化の向きと同一である。この場合、蓄積されたスピンＳＡはゲート手段ＧＭには流れ込まず、蓄積されたスピンＳＡの量が多くなり、抵抗値Ｒが増加する（Ｒ≧Ｒ_０）。

一方、逆の磁化の向きを有する２つの磁性体Ｆ１，Ｆ２の間に導体Ｎが設けられている（図３（ｂ））が、ゲート手段ＧＭ（第１被制御用磁性体ＧＭ１）の磁化の向きは、入力側磁性体Ｆ１の磁化の向きに直交しており、この場合、蓄積されたスピンＳＡはスピン流としてゲート手段ＧＭ内に流れ込み、吸収される。すなわち、導体Ｎの界面のスピン蓄積が変化して、界面抵抗が減少し、導体の抵抗値Ｒが減少する（Ｒ＜Ｒ_０）。

ここで、ゲート手段ＧＭの磁化の回転と電流Ｉ_ＳＤの変化について補足的に説明しておく。

図４は、ゲート手段ＧＭ（第１被制御用磁性体ＧＭ１）の磁化の向きの変化について説明するための図である。

図１に示したソース側の磁性体ＦＩとベース側の磁性体ＣＦＩの磁化の向きが９０°異なる場合、ゲート手段ＧＭに流れ込むスピン流の分極方向は、第１非磁性導体１と第２非磁性導体２では９０°異なる。そのため、ゲート手段ＧＭに働くトルクは逆向きになる。ソースからゲート手段ＧＭに流れ込む電子流αは、ゲート手段ＧＭの磁化の向きをＺ方向と平行に向けようとし、ベースから流れ込む電子流βはゲート手段ＧＭの磁化の向きをＸ方向と平行に向けようとする。

図５は、ゲート手段ＧＭの磁化の向きＤと電圧μＦ、μＢに応じて働くトルクＴ（μＦ）、Ｔ（μＢ）、Ｔ（μＦ，μＢ）の関係を示す図である。θ＝０は電圧μＦによる安定方位であり、θ＝π／２は電圧μＢによる安定方位であり、θ＝πは電圧μＦによる不安定方位であり、θ＝−π／２は電圧μＢによる不安定方位である。電圧μＦと電圧μＢの比率（μＦ／μＢ）に応じて安定な角度θが決定される。電圧比（μＦ／μＢ）が１であれば、角度θは４５°になる。また、θ＝±π/2でＩ_ＳＤが最大になる。ゲート手段ＧＭにスピン流が流れ込み、導体内におけるスピン蓄積を減らすため、界面抵抗が減少して電流I_ＳＤが多く流れるようになる。なお、スピン流のＺ成分（I_ＳＧ）ｚが電流増加分ΔI_ＳＤとなる（ΔI_ＳＤ=p/2（I_ＳＧ）ｚ）。

図６は、電圧比（μＦ／μＢ）と角度θとの関係を示すグラフである。

電圧比（μＦ／μＢ）が５以下になると、すなわち、μＦがμＢに対して小さくなってくると、角度θは大きくなることが分かる、すなわち、μＦがμＢに対して小さくなってくると、スピン蓄積量が急激に減少する。

図７は、角度θ（ｄｅｇ）と規格化された入力電子流Ｉの関係を示すグラフである。

但し、Ｉ＝Ｉ_ＳＤ×Ｒ_ＳＤ／μFである。ソースとドレインの磁性体ＦＩ，ＦＯの磁化の向きを平行にした時のソース−ドレイン間抵抗をＲ_ＳＤとする。ｐが小さいときIが平らになっているが、磁気抵抗効果による抵抗変化率が小さいことを示している。前記のように、ここでの磁気抵抗効果は横軸θの変化によってスピン蓄積が変化することで得られる。なお、入力側磁性体ＦＩ、出力側磁性体ＦＯ、制御用入力側磁性体ＣＦＩ、制御用出力側磁性体ＣＦＯの近傍のコンダクタンスは全て等しいとする。

電圧μＦを小さくすると、角度θは大きくなり、入力電子流Ｉは増加する。ここで、第１非磁性導体１に注入される電子のスピン分極率ｐが大きいほど、電流特性値Ｉの変化は大きくなることが分かる。

図８は、強磁性体と非磁性体とを接触させた場合の化学ポテンシャルの変化について説明するためのポテンシャル図である。

強磁性体と非磁性体を接合すると、化学ポテンシャルがスピンの向きに依存して分裂する。強磁性体ではアップスピンμ_ＵＰの電気伝導率が高く、ダウンスピンμ_ＤＯＷＮの伝導率は低い。一方、非磁性体では伝導率はスピンの状態には依存しない（図８（ａ））。これらを接合すると、強磁性体側ではアップスピンμ_ＵＰの流入を押し戻そうとし、非磁性体側ではアップスピンμ_ＵＰを流し込むように化学ポテンシャルが自動調整される。電場によるポンテンシャル勾配を差し引くと、図８（ｂ）のようになり、非磁性体側で、アップスピンμ_ＵＰは引き込まれ，ダウンスピンμ_ＤＯＷＮは戻されていることがわかる。図８（ｂ）は、図８（ａ）において、オームの法則に従う成分の電位（点線）を差し引いたものである。従って、強磁性体と非磁性体の界面ではアップスピンμ_ＵＰが過剰となり、ダウンスピンμ_ＤＯＷＮが不足する。これはスピンが反転した状態と等価であるので、これらの界面近傍が磁化されたことになる。上述のスピン蓄積は、この現象である。スピン蓄積は化学ポンテンシャルの段差を誘起し、スピン蓄積に比例して界面抵抗ΔＲが発生し、ポテンシャル障壁Ｉ×ΔＲが発生し、ＣＰＰ−ＧＭＲと同じように機能する。

図９は、スピントルクトランジスタの基本的な電流―電圧特性を示し、電圧比（μＦ／μＢ）と規格化された入力電子流Ｉ’の関係を示すグラフである。但し、Ｉ’＝Ｉ_Ｂ×Ｒ_ＳＤ／μＢである。制御用入力端子と制御用出力端子に設けられた磁性体ＣＦＩ，ＣＦＯの磁化の向きを平行にした時の制御用入出力端子間抵抗をＲ_ＳＤとする。

スピン分極率ｐが０．８以下の場合、電圧比（μＦ／μＢ）の増加に伴って入力電子流Ｉ’は増加傾向にある。また、スピン分極率ｐが０．５以下では、入力電子流Ｉ’は略直線であり、スピン分極率ｐが０．８以上、好ましくは０．９以上では飽和傾向が現われてくる。特に、スピン分極率ｐが０．９５以上の場合には、入力電子流Ｉ’は増加の傾斜が０以下となる領域が存在する。

図１０は、図９の縦軸の規格化を変えて、横軸の変化に対して抵抗変化が縦軸で見えるようにしたもので、電圧比（μＦ／μＢ）と規格化された入力電子流Ｉの関係を示すグラフである。図７のＩを異なる横軸で示したもので、図９のスピントルクトランジスタ特有の電流―電圧特性が単純に磁気抵抗効果によることがわかるものである。

スピン分極率ｐの増加に伴って、電圧比（μＦ／μＢ）の増加に対する入力電子流Ｉの減少量は増加し、電圧比（μＦ／μＢ）が２以上では飽和傾向が現われてくる。電流増幅を考える上で需要なのは、飽和特性である。

図１１は、電圧比（μＦ／μＢ）と図９の入力電子流Ｉ’の微分をとって抵抗Ｒ_ＳＤで規格化した微分コンダクタンスＧ_ＳＤ×Ｒ_ＳＤのグラフである。

スピン分極率ｐが０．９５以上では微分コンダクタンスＧ_ＳＤ×Ｒ_ＳＤが０となる電圧比（μＦ／μＢ）の領域が存在する。

図１２は、図１１のグラフの横軸を角度θにして表したグラフである。

実際にトランジスタとして動作させる時は、電圧比（μＦ／μＢ）をバイアスとして、適切な値を選ぶ必要がある。ソース電圧に対してある角度θ（電圧比（μＦ／μＢ））で信号電圧を入力させたときの入力電子流（出力電流）Ｉ_ＳＤは、角度θにおける微分コンダクタンスＧ_ＳＤ×Ｒ_ＳＤに従う。このとき、ベース電圧μＢに対する微分コンダクタンスＧ_ＳＤ×Ｒ_ＳＤは、磁化が９０°回転していることに対応して（９０°−θ）の値になる。

電流増幅率Γ＝（ベース電圧μＢに対する微分コンダクタンスＧ_ＳＤ×Ｒ_ＳＤ／（ソース電圧μＢに対する微分コンダクタンスＧ_ＳＤ×Ｒ_ＳＤ＝Ｇ_ＳＤ（９０°−θ）／Ｇ_ＳＤ（θ）になる。したがって、Ｇ_ＳＤが０となるような角度θに電圧比（μＦ／μＢ）を調整すれば、理論上無限大の電流増幅率Γが得られる。微分コンダクタンスＧ_ＳＤが０となるには、図９に示したＩ−Ｖ特性での飽和傾向が必要であり、その極大に合わせて、電圧比（μＦ／μＢ）を設定することになる。

図１３は、導体に入力される電子のスピン分極率ｐと最大の電流増幅率Γとの関係を示すグラフである。以下は、スピン分極率ｐと電流増幅率Γとの関係を示す表である。

スピン分極率ｐが０．９以上では、大きな電流増幅率Γが得られ、ｐ≧０．９５で電流増増幅率Γは無限大になる。

従来、スピントルクトランジスタにおいて、大きな電流増幅率を得ようとすると、スピン分極率ｐが０．９以上、好ましくはスピン分極率ｐ＝１のハーフメタルが必要だと思われた。これまでＣｏ_２ＭｎＳｉなどのホイスラー合金やＧａＭｎＡｓなどの磁性半導体がハーフメタルとして提案されているが、常温で実用的な材料はまだ実現されていない。このようなスピントルクトランジスタでは、金属のＣＰＰ構造を基本構造にしているため、入力抵抗＝μＦ／Ｉ_ＳＤが数オームと低く、従って電流を約１ｍＡとすると、電圧は数ｍＶのオーダーにしかならない。

本実施形態のスピントルクトランジスタでは、電流増幅率が大きくなるため、更に高い電圧で動作することができる。本実施形態では、ハーフメタル以外の方法で高スピン分極電流を非磁性体に注入し、しかも使い易い大きな入力抵抗を得る手段を提供している。また、磁性体から非磁性導体への電子注入をトンネル接合で行うことにより、高スピン分極電流の注入と、高い入力抵抗を同時に達成することができる。また、ゲート手段ＧＭは、２枚の反平行に結合した磁性体ＧＭ１，ＧＭ２とその間に介在する電流阻止層ＢＬによって構成することにしたので、スピン流を磁性体ＧＭ１，ＧＭ２に導いて吸収させ、ゲート手段ＧＭには電流は流さないという要求を満たしている。

なお、上述の導体としては、非磁性金属、半導体を使用することができる。

上述の各層の材料は以下の通りである。

なお、各磁性体ＦＩ、ＦＯ、ＣＦＩ，ＣＦＯは、磁化の向きが９０°ずつ異なるようにするため、磁性体の成膜時の誘導異方性を使って、磁性体ごとに異なる磁場の向きで成膜することができる。また、ＩｒＭｎなどの反強磁性膜を各磁性体ＦＩ、ＦＯ、ＣＦＩ，ＣＦＯに接触させて成膜することも可能である。また、形状異方性を使用する製造方法も採用することが可能である。なお、磁化の向きが固定された強磁性体である磁性体ＦＩ、ＦＯ、ＣＦＩ，ＣＦＯを、Ｆｅ，Ｃｏ又はＦｅＣｏとし、トンネルバリア層をＭｇＯにすれば、波動関数の対称性から、アップスピンはダウンスピンに比べて１００万倍以上が流れやすいので、ＭｇＯを透過した電流は略１００％スピン分極しており、ハーフメタルと同じ効果が得られる。磁性体ＦＩ、ＦＯ、ＣＦＩ，ＣＦＯをホイスラー合金としトンネルバリア層をＡｌ_２Ｏ_３としてもよい。トンネルバリア層は、電気抵抗が高いので、導体との界面でスピン流が戻ることはなく、抵抗率が１〜１００Ωｃｍ程度の半導体に対しても、同程度のスピン注入抵抗を有するので、有効にスピン注入が行うことができる。

非磁性チャネルを構成する導体１，２は，チャネル長Ｌｃをスピン拡散長以下に設定する。Ｃｕ，Ａｌはスピン拡散長が長い物質である。導体１，２には、ＳｉやＧａＡｓなどの半導体も使用することができる。また、ＡｕはＦｅのアップ電子と同じ波動関数の対称性を有するので、これをトンネルバリア層と導体１，２との間に挿入した場合、導体１，２とトンネルバリア層との界面でのスピン流の減衰を防止することができる。

ゲート磁性体ＧＭ１、ＧＭ２スピン拡散長の程度とする。ゲート手段ＧＭではスピントランスファートルクによる磁化回転が行われるので、これ以上に厚くすると小さな信号に対するトルクへの応答が悪くなるからである。なお、電流阻止層ＢＬを構成する絶縁体にはＡｌやＳｉの酸化物等を使用することができる。ゲート手段ＧＭを構成する磁性体は軟磁性体であればよい。

なお、上述のスピントルクトランジスタを製造する場合、Ｓｉ基板上に配線Ａｌを形成し、この上にＡｌからなる入出力端子ＩＴ，ＯＴ、ＣｐＦｅからなる磁性体ＦＩ，ＦＯ、ＭｇＯからなるトンネルバリア層ＴＩ，ＴＯを順次形成し、この上にＣｕからなる第１非磁性導体１を形成する。更に、第１非磁性導体１上に、マスクを形成し、マスクの開口内に３層のゲート手段ＧＭを順次形成する。更に、この上に、Ｃｕからなる第２非磁性導体２を形成して、この上に次のマスクを形成し、マスクの開口内にＭｇＯからなるトンネルバリア層ＣＴＩ，ＣＴＯ、ＣｏＦｅからなる磁性体ＣＦＩ，ＣＦＯを順次形成し、この上にＡｌからなる制御用入力端子ＣＩＴ、制御用出力端子ＣＯＴを形成する。各層の隙間はＳｉＯ_２からなる絶縁膜で埋める。

各磁性体ＦＩ、ＦＯ、ＣＦＩ，ＣＦＯの寸法は、それぞれ２００ｎｍ×２００ｎｍにする。ゲート手段ＧＭは、Ｃｏ／ＳｉＯ_２／Ｃｏの３層構造であり、寸法は１５０ｎｍ×１５０ｎｍ、厚さは１０ｎｍ／１０ｎｍ／１０ｎｍである。第１非磁性導体１及び第２非磁性導体２はＣｕから構成し、寸法は２００ｎｍ（幅）×４００ｎｍ（Ｘ方向長）×２０ｎｍ（厚さ）である。

図１４は、この構造のスピントルクトランジスタを製造した場合の電圧−電流特性を示すグラフである。ＭｇＯからなる全てのトンネルバリア層の厚さは共通である。ＭｇＯの厚さは、０．６ｎｍ、１ｎｍ、２ｎｍとした。ＭｇＯの厚さを０としたものを比較例とする。グラフ中の矢印は、電流増幅率Γを高くするための動作点（バイアス）の位置である。

なお、ソース−ドレイン抵抗Ｒ_ＳＤに対して、電流を１ｍＡ流したときの電圧をＶＢに設定した。すなわち、設定ベース電圧ＶＢをＩ_ＳＤ＝１ｍＡの電流に対するＶ_ＳＤの値に設定し、設定ベース電圧ＶＢを一定にしたときのＶ_ＳＤとＩ_ＳＤの関係をＩ−Ｖ特性として示す。

図１４のグラフに示されるデータを以下の表に示す。

なお、導体１，２の面抵抗ＲＡ、ソース−ドレイン抵抗Ｒ_ＳＤ及び設定ベース電圧ＶＢ（ｍＶ）は以下の通りである。

上述のデータによれば、ＭｇＯを厚くすると、矢印で示される動作点が高電圧側にシフトする。動作点はグラフの傾きが最小になるところであり、傾きが０になれば、理論上の電流増幅率は無限大となる。また、図１４に示したように、ＭｇＯを厚くしていくことで、動作電圧Ｖ_ＳＤを大きくすることができる。ＭｇＯを厚くしていくと、同じ出力電流に対してＶ_ＳＤとＶＢを大きく設定できることがわかる。更に、ＭｇＯを使った場合は導体１，２を構成するＣｕへのスピン注入効率が上がるので、矢印で示される箇所に平らな部分が現れる。ＭｇＯがないときの増幅率は１０％（Γ＝１．１）であったが、本実施例では８０％（Γ＝１．８）が得られた。

実施の形態に係るスピントルクトランジスタ１０の断面構成を示す図である。ＣＰＰ−ＧＭＲにおけるスピン蓄積の様子を示す図である。スピントルクトランジスタにおけるスピン蓄積の様子を示す図である。ゲート手段ＧＭ（第１被制御用磁性体ＧＭ１）の磁化の向きの変化について説明するための図である。ゲート手段ＧＭの磁化の向きＤと電圧μＦ、μＢに応じて働くトルクＴ（μＦ）、Ｔ（μＢ）、Ｔ（μＦ，μＢ）の関係を示す図である。電圧比（μＦ／μＢ）と角度θとの関係を示すグラフである。角度θ（ｄｅｇ）と規格化された入力電子流Ｉの関係を示すグラフである。強磁性体と非磁性体とを接触させた場合の化学ポテンシャルの変化について説明するためのポテンシャル図である。電圧比（μＦ／μＢ）と規格化された入力電子流Ｉ’の関係を示すグラフである。電圧比（μＦ／μＢ）と規格化された入力電子流Ｉの関係を示すグラフである。電圧比（μＦ／μＢ）と図９の入力電子流Ｉ’の微分をとって抵抗Ｒ_ＳＤで規格化した微分コンダクタンスＧ_ＳＤ×Ｒ_ＳＤのグラフである。図１１のグラフの横軸を角度θにして表したグラフである。導体に入力される電子のスピン分極率ｐと最大の電流増幅率Γとの関係を示すグラフである。スピントルクトランジスタを製造した場合の電圧−電流特性を示すグラフである。

符号の説明

１０・・・スピントルクトランジスタ、１・・・第１非磁性導体、ＩＴ・・・入力端子、ＯＴ・・・出力端子、ＧＭ１・・・第１被制御用磁性体、ＧＭ・・・ゲート手段、ＦＩ・・・入力側磁性体、ＴＩ・・・第1トンネルバリア層、ＦＯ・・・出力側磁性体、ＧＭ２・・・第２被制御用磁性体、ＢＬ・・・電流阻止層、２・・・第２非磁性導体、ＣＩＴ・・・制御用入力端子、ＣＯＴ・・・制御用出力端子、ＣＦＩ・・・制御用入力側磁性体、ＣＴＩ・・・第２トンネルバリア層、ＣＦＯ・・・制御用出力側磁性体。

Claims

第１非磁性導体に電気的に接続された入力端子及び出力端子を備えるスピントルクトランジスタにおいて、
前記第１非磁性導体における前記入力端子と前記出力端子との間の電子通過領域に取り付けられ、磁化の向きが制御される第１被制御用磁性体を有するゲート手段と、
前記入力端子と前記第１非磁性導体との間に介在し、一方向の磁化の向きを有する入力側磁性体と、
前記入力側磁性体と前記第１非磁性導体との間に介在する第１トンネルバリア層と、
前記出力端子と前記第１非磁性導体との間に介在し、前記一方向とは逆の磁化の向きの成分を有する出力側磁性体と、
を備え、
前記ゲート手段は、
前記第１被制御用磁性体と、
前記第１被制御用磁性体に静磁結合した第２被制御用磁性体と、
前記第１及び第２被制御用磁性体間に介在する電流阻止層と、
を備えることを特徴とするスピントルクトランジスタ。
前記第２被制御用磁性体に取り付けられた第２非磁性導体と、
前記第２非磁性導体に電気的に接続された制御用入力端子及び制御用出力端子と、
前記制御用入力端子と前記第２非磁性導体との間に介在し、前記一方向と直交する磁化の向きの成分を有する制御用入力側磁性体と、
前記制御用入力側磁性体と前記第２非磁性導体との間に介在する第２トンネルバリア層と、
前記制御用出力端子と前記第２非磁性導体との間に介在し、前記直交する成分とは逆向きの磁化の向きの成分を有する制御用出力側磁性体と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のスピントルクトランジスタ。
前記電流阻止層は、トンネル効果が生じない厚みの絶縁体からなることを特徴とする請求項１又は２に記載のスピントルクトランジスタ。