JP5030397B2 - スピントランジスタ - Google Patents

Description

本発明は、キャリアスピンの上向き下向きを制御することにより、ドレイン電流を制御するスピントランジスタに関する。

従来のスピントランジスタの断面構造図を図４に示す。この断面構造図には、磁性体電極（ソース）２０１と、磁性体電極（ドレイン）２０２と、金属ゲート電極２０３と、金属ゲート電極２０３と、ゲートコンタクト層２０４と、二次元電子ガスが形成されているチャネル層２０５と、スペーサ層２０６と、キャリア供給層２０７と、バッファ層２０８と、基板２０９が示され、さらにスピンを模式的に示した電子２１０も示されている。

通常において、磁性体電極（ソース）２０１と磁性体電極（ドレイン）２０２には、その電極材料としてNi-Fe（パーマロイ）やCoが用いられる。このデバイスの動作原理は以下のようになっている。

磁性体電極（ソース）２０１からスピン偏極した電子を半導体二次元電子ガスへと注入し、このスピンの向きをRashbaスピン軌道相互作用による有効な磁界によって回転させ、磁性体電極（ドレイン）２０２のスピンの向きと平行にしたり、反平行にしたりすることにより、ドレイン電流を制御している。

例えば、半導体二次元電子ガス中のスピンが反転すると、磁性体電極（ドレイン）２０２には反転した電子スピンを受け入れる状態密度がないため、ドレイン電流は流れなくなる。一方、ゲート電圧によって、スピンの向きを３６０度回転させると磁性体電極（ドレイン）２０２と同じ向きになり、電流が流れるようになる。つまり、スピンの回転角度によって、電流のオン・オフが制御できる（非特許文献１）。
S.Datta and B.Das,Appl.Phys.Lett.,vol.56,p.665,1990.

このスピントランジスタを実現するためには、前述のパーマロイやＣｏに代表される強磁性体電極（ドレイン電極）からスピン偏極した電子を高効率にチャネル層へ注入する必要がある。しかし、強磁性体電極から半導体へのスピン注入は、金属と半導体のコンダクタンスの違いから半導体中で大きなスピン偏極度を得るのは困難であることが理論的に指摘されており、十分なスイッチング特性を有するスピントランジスタの実現は困難であった。（文献：G.Schmidt,D.Ferrand,L.W.Molenkamp,A.T.Filip,and B.J.van Wees,Phys.Rev.B,vol.62,p.R4790,2000.）
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、空間的非一様Rashbaスピン軌道相互作用を用いることにより、磁場を一切使うことなくキャリアのスピンの上向き下向きを分離することを可能とし、さらにスピン偏極度に依存して、ドレイン電流が流れる超伝導接合を用いることにより、ドレイン電流の大きさをゲート電極で制御し、十分なスイッチング特性を有するスピントランジスタを実現することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の本発明は、半導体中を伝搬するキャリアのスピンの状態を利用したスピントランジスタであって、キャリアを注入するためのキャリア注入手段と、キャリアが伝搬する方向に少なくとも２方向に分岐したキャリアを伝搬するチャネル層と、前記チャネル層の分岐の前段で、スピン上向きのキャリアが２方向に分岐したチャネルの一方に流れ、スピン下向きのキャリアが２方向に分岐したチャネルの他方に流れるように前記チャネル層にキャリアの伝搬方向に対して垂直方向に空間的非一様な電界を発生する電界制御手段と、前記チャネル層の分岐後に接続された超伝導体からなる電極と、を有する。

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１において、前記キャリア注入手段は、常伝導体により構成されている。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項１又は２において、前記チャネル層上に前記空間的非一様な電界を形成するための厚さの異なる層が挿入されている。

本発明によれば、空間的非一様Rashbaスピン軌道相互作用を用いることにより、磁場を一切使うことなくキャリアのスピンの上向き下向きを分離することを可能とし、さらにスピン偏極度に依存して、ドレイン電流が流れる超伝導接合を用いることにより、ドレイン電流の大きさをゲート電極で制御し、十分なスイッチング特性を有するスピントランジスタを実現することができる。

図１（ａ）、（ｂ）はスピントランジスタの実施の形態の素子構造を説明するための構造図を示している。このスピントランジスタの構造図（ａ）には、強磁性体ではなく常伝導体により構成された常伝導電極（ソース）１０１と、超伝導電極（ドレイン）１０２と、電極１２０と、ゲート電極１０３と、が示されている。またゲート電極１０３におけるＡ−Ｂ断面構造を示す（ｂ）には、ゲート電極１０３と、ゲートコンタクト層１０４と、二次元電子ガスが形成されているチャネル層１０５と、スペーサ層１０６と、キャリア供給層１０７と、バッファ層１０８と、基板１０９と、ゲート絶縁層１１０が示されている。

また、ドレイン電極を構成する超伝導電極（ドレイン）１０２に好適な超伝導体は、Ｎｂ、ＮｂＮ、ＭｇＢ_２又は酸化物高温超電導体である。この超伝導体は、チャネル層である二次元電子ガス層に接触されており、膜厚は約１００nm程度で形成されている。

これらの超伝導体の動作温度は、超伝導転移温度以下であり超伝導体材料に依存し、Ｎｂは約９Ｋ以下、ＮｂＮは約１６Ｋ、ＭｇＢ_２は約４０Ｋ、酸化物高温超電導体は約１３０Ｋとなる。

次の図１（ｂ）に示すように、ｙ軸方向厚さの異なるゲート絶縁層１１０を挿入することにより、二次元電子ガス１０５にかかる有効なゲート電圧に勾配が生じるため、ゲート電極１０３の下にある二次元電子ガス１０５の空間的非一様Rashbaスピン軌道相互作用の強さにも同様にy軸方向に空間的に勾配を生じる。

従って、この空間をスピンを有するキャリアがｘ軸方向に伝播する間に、スピン上向きキャリアとスピン下向きキャリアは、逆向きの力を受け、スピンを有するキャリアは空間的に分離される。例えば、ゲート電極１０３の後方に図１（ａ）に示したＹ型の分岐を設けておけば、上側の分枝には上向きスピンを有するキャリア、下側の分枝には下向きスピンを有するキャリアが流れ込む。

なお、空間的に非均一様な電界を生成する電界制御手段としては、ｙ軸方向に厚さの異なったゲート絶縁層１１０を挿入することにより、スピン軌道相互作用に空間的な勾配を持たせているが、これに替えて、ｙ軸方向に複数の異なるゲート電圧を有する図示しないゲート電極を複数備えることにより、スピン軌道相互作用に空間的な勾配を持たせるようにしてもよい。

さらに、ゲートコンタクト層１０４の膜厚をチャネル方向に変調する構成として、ゲート絶縁層１１０を省略した構成でもよい。

さらに、ゲート絶縁層１１０の物質の誘電率を変調するために、例えばゲート絶縁層１１０の膜厚は均一としておき、その構成物質はＳｉＯ_２からＳｉ_３Ｎ_４までで構成して並べて配置し誘電率を変調してもよい。

また、ゲート電極１０３の形状を、例えば文献：J.-I.Ohe,M.Yamamoto,T.Ohtsuki and J.Nitta,"Spin filterring effect in nonuniform spin-orbit interaction,"International Workshop Nanoscale Dynamics and Quantum Coherence, Sep.19-23,2004(Hamburg).にみられるような構造にしてもよい。

そして、Ｙ型の分岐を設けた場合に、上側の分枝には上向きスピンを有するキャリア、下側の分枝には下向きスピンを有するキャリアが流れ込むと、上側分枝の端に超伝導電極１０２が配置されているので、以下に示すような現象が生じる。

一般的に、超伝導体／常伝導体界面では、常伝導体から超伝導体に超伝導体のエネルギーギャップΔ以下のエネルギーを持った電子が入射すると、超伝導体側にクーパー対を生成する。このクーパー対を生成するためにはもう１個の電子が必要になるが、この分が正孔となって常伝導体側に生成される。

すなわち、入射電子が正孔となって反射される。これは、アンドレーフ反射と呼ばれ、超伝導体／常伝導体界面でおこる現象である。このアンドレーフ反射では、１個の電子が入射して二つの電子からなる一つのクーパー対が生じるので、正味２個の電荷が伝導したことになり、界面を含む系のコンダクタンスは通常の常伝導体により電極のコンダクタンスの２倍となる。

この時重要なことは、クーパー対が上向きスピンを有するキャリアと下向きスピンを有するキャリアで構成されている点である。つまり、アンドレーフ反射が生じるためには、常伝導体側に入射電子（キャリア）が持つスピンと反対のスピンを有する電子が必要になる。もし、超伝導電極１０２がある上側分枝にある電子のスピンが１００％上向きになるように偏極された場合、二次元電子ガス１０５から入射した電子はアンドレーフ反射することができず、超伝導電極１０２には電流が流れなくなる。

なお、電極１２０を設けることにより、Ｙ字分岐の終端であるドレイン電極に電位を与えて、電子の蓄積が発生しないように電子を引き抜いている。

図２に、実施の形態のスピントランジスタの特性を測定するための回路図を示す。スピントランジスタの常伝導電極（ソース）１０１と超伝導電極（ドレイン）１０２間に電源１０を配置して電圧をかけている。超伝導電極（ドレイン）１０２に流れる電流を測定するために、電流計１１を超伝導電極（ドレイン）１０２と電源１０との間に配置している。また、電極１２０は電源１０に接続されている。

図２に示した回路図による測定結果として、図３にスピントランジスタのソース・ドレイン電極間の電流−電圧特性のゲート電極１０３への印加電圧依存性を示す。ゲート電極１０３にゲート電圧を印加せず、上向きスピンを有するキャリアと下向きスピンを有するキャリアとの分離がされない場合には、超伝導体のギャップ電圧Δ以下では、２倍のコンダクタンスを示している。

一方、ゲート電圧を印加し、上向きスピンと下向きスピンを有するキャリアの分離が１００％実現された場合には、コンダクタンスがゼロになる。つまり、ゲート電圧によって、ドレイン電流が制御できる。これが本実施の形態のスピントランジスタの動作原理である。

以上説明したように、本実施の形態によれば、空間的非一様Rashbaスピン軌道相互作用を用いることにより、キャリアのスピン上向き下向きを分離することを可能とするゲート電極と、超伝導体により形成されたドレイン電極を用いることにより、スピン偏極度によりドレイン電流が制御可能であり、磁場や磁性体を一切使うことなく、スピントランジスタを形成することができる。

またアンドレーフ反射が１００％近くになるように材料を組み合わせると、ゲート電圧をチャネルのピンチオフが生じる電圧まで印加する必要がなく、もってドレイン電流を「０」にすることが可能であるため、低消費電力化と高速化を可能にできる。

実施の形態のスピントランジスタの構成図であって、（ａ）は全体構成を示し、（ｂ）は断面構成図を示す。 実施の形態のスピントランジスタの特性測定の回路図を示す。 実施の形態のスピントランジスタのソース・ドレイン電極間の電流−電圧特性のゲート電極への印加電圧特性を示す。 従来技術によるスピントランジスタの構造の一例を示す。

符号の説明

１０１ 常伝導電極（ソース）
１０２ 超伝導電極（ドレイン）
１０３ ゲート電極
１０４、２０４ ゲートコンタクト層
１０５、２０５ チャネル層
１０６、２０６ スペーサ層
１０７、２０７ キャリア供給層
１０８、２０８ バッファ層
１０９、２０９ 基板
１２０ 電極
１１０ ゲート絶縁層
２０１ 磁性体電極（ソース）
２０２ 磁性体電極（ドレイン）
２０３ 金属ゲート電極
２１０ 電子

Claims (3)

1. 半導体中を伝搬するキャリアのスピンの状態を利用したスピントランジスタであって、
   キャリアを注入するためのキャリア注入手段と、
   キャリアが伝搬する方向に少なくとも２方向に分岐したキャリアを伝搬するチャネル層と、
   前記チャネル層の分岐の前段で、スピン上向きのキャリアが２方向に分岐したチャネルの一方に流れ、スピン下向きのキャリアが２方向に分岐したチャネルの他方に流れるように前記チャネル層にキャリアの伝搬方向に対して垂直方向に空間的非一様な電界を発生する電界制御手段と、
   前記チャネル層の分岐後に接続された超伝導体からなる電極と、
   を有することを特徴とするスピントランジスタ。
2. 前記キャリア注入手段は、常伝導体により構成されてい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。
3. 前記チャネル層上に前記空間的非一様な電界を形成するための厚さの異なる層が挿入されてい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。

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