JP5144569B2 - スピントランジスタ及び論理回路装置 - Google Patents

Description

本発明は、スピントランジスタ及び論理回路装置に関する。

近年、スピントランジスタなどの新しい機能を有するデバイスの研究開発が盛んに行われている。その１つとして、ソース／ドレイン領域が磁性体から構成されるスピントランジスタがある。スピントランジスタの特徴は、ソース／ドレイン領域の磁性体のスピンモーメントの方向を反転するだけで、その出力特性を制御できる点にあり、これを用いるとで、リコンフィギャラブル（re-configurable：再構成可能）であり増幅機能を有するスピントランジスタ構造を構成することができる。そして、それを用いることによってリコンフィギャラブルな論理回路を構成することが可能である（例えば、非特許文献１参照）。

一方、カーボンナノチューブやグラフェンなどをチャネル材料として用いた電界効果型トランジスタは、移動度が大きいことから次世代トランジスタとして注目されている。また、カーボンナノチューブやグラフェンなどのＣ系は、スピン拡散長が長く、スピン依存伝導が観測されることが知られている（例えば、非特許文献２参照）。

しかし、強磁性体からなるソース・ドレイン構造をカーボンナノチューブやグラフェンなどに接合させると界面抵抗が高く、トランジスタ動作が困難であるという課題が存在していた。

また、有機物をトンネルバリアとする磁気素子、及び、Ａｌｑ３、ルブレン、ペンタセンを有機物チャネルとして持つ有機スピントランジスタが提案されている（例えば、特許文献１参照）。これら有機物においても有機物トンネル障壁を有するＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistance）が観測されているが、Ａｌｑ３、ルブレン、ペンタセンを用いた場合も、強磁性体のソース・ドレインとの間の界面の接合抵抗が５ｋΩμｍ^２以上と高いため、現在用いられているチャネル長のサイズでは、トランジスタ動作が困難である。

米国特許出願公開第２００８／０１５２９５２Ａ１号明細書

Applied Physics Letters, 2004, 84, p.2307 Nature, 2007 January, vol.445, p.25

本発明は、強磁性体からなるソース・ドレインと有機チャネルとの間の界面抵抗が低く、良好なトランジスタ動作を実現するスピントランジスタ及び論理回路装置を提供する。

本発明の一態様によれば、基板と、前記基板の主面の上に設けられ、六員環ネットワーク構造を有する炭素材料からなるチャネル層と、前記チャネル層の上に設けられ、強磁性体を含む第１の層を有する第１電極と、前記チャネル層の上において、前記第１電極と離間して設けられ、強磁性体を含む第２の層を有する第２電極と、前記チャネル層の上において、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられたゲート電極と、前記チャネル層と前記第１電極との間に設けられた第１挿入層と、前記チャネル層と前記第２電極との間に設けられた第２挿入層と、を備え、前記第１挿入層及び前記第２挿入層は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａよりなる群から選択されたいずれか１つ、または、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａよりなる群から選択されたいずれかを含む化合物を含むことを特徴とするスピントランジスタが提供される。

本発明の別の一態様によれば、基板と、前記基板の主面の上に設けられ、強磁性体を含む第１の層を有する第１電極と、前記第１電極の上に設けられ、強磁性体を含む第２の層を有する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ、六員環ネットワーク構造を有する炭素材料からなるチャネル層と、前記チャネル層の側面に対向し、前記チャネル層の周りに設けられたゲート電極と、前記チャネル層と前記第１電極との間に設けられた第１挿入層と、前記チャネル層と前記第２電極との間に設けられた第２挿入層と、を備え、前記第１挿入層と前記第２挿入層は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａよりなる群から選択されたいずれか１つ、または、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａよりなる群から選択されたいずれかを含む化合物を含むことを特徴とするスピントランジスタが提供される。

本発明の別の一態様によれば、上記のいずれかに記載のスピントランジスタと、前記スピントランジスタの前記第１電極及び前記第２電極のいずれかと接続された制御素子と、を備え、前記スピントランジスタの前記ゲート電極に入力される第１電気信号と、前記制御素子に入力される第２電気信号と、の論理演算結果を出力することを特徴とする論理回路装置が提供される。

本発明によれば、強磁性体からなるソース・ドレインと有機チャネルとの間の界面抵抗が低く、良好なトランジスタ動作を実現するスピントランジスタ及び論理回路装置が提供される。

本発明の第１の実施形態に係るスピントランジスタの構成を例示する模式図である。 本発明の第１の実施形態に係るスピントランジスタの特性に関する実験試料の作製工程を例示する工程順模式的断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る別のスピントランジスタの構成を例示する模式的断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る別のスピントランジスタの構成を例示する模式的断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る別のスピントランジスタの構成を例示する模式的断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る別のスピントランジスタの構成を例示する模式的断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る別のスピントランジスタの構成を例示する模式的図である。 本発明の第１の実施形態に係る別のスピントランジスタの構成を例示する模式的平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る別のスピントランジスタにおける強磁性体層の形状を例示する模式的平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る別のスピントランジスタの構成を例示する模式的断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る別のスピントランジスタの構成を例示する模式的断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る別のスピントランジスタの構成を例示する模式的断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る別のスピントランジスタの構成を例示する模式的断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るスピントランジスタに適用できるシンセティック構造の構成を例示する模式的断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る別のスピントランジスタの構成を例示する模式的断面図である。 本発明の第１の実施例に係るスピントランジスタの構成を例示する模式図である。 本発明の第１の実施例に係るスピントランジスタの製造方法の一工程を例示する模式的断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るスピントランジスタの構成を例示する模式図である。 本発明の第２の実施例に係るスピントランジスタの構成を例示する模式的断面図である。 本発明の第２の実施例に係る別のスピントランジスタの構成を例示する模式的断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る論理回路装置の構成を例示する模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る論理回路装置における動作を例示する模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る論理回路装置における演算動作を例示する模式図である。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１の実施の形態）
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の構成を例示する模式図である。
すなわち、同図（ｂ）は平面図であり、同図（ａ）は同図（ｂ）のＡ−Ａ’線断面図である。
図１（ａ）、（ｂ）に表したように、本発明の第１の実施形態に係るスピントランジスタ１１０は、基板５と、基板５の主面５ａの上に設けられ、六員環ネットワーク構造を有する炭素材料からなるチャネル層７と、チャネル層７の上に設けられ、強磁性体を含む第１の層１１を有する第１電極１０と、チャネル層７の上において、第１電極１０と離間して設けられ、強磁性体を含む第２の層２１を有する第２電極２０と、チャネル層７の上において、第１電極１０と第２電極２０との間に設けられたゲート電極８と、を備える。
なお、ゲート電極８、並びに、第１及び第２電極１０及び２０の周りにはそれらを覆うように絶縁膜を設けても良いが、同図では省略されている。

基板５には、各種の絶縁材料や半導体材料を用いることができる。例えば、シリコンやゲルマニウム等からなり、スピントランジスタ１１０に接続された周辺回路が設けられた基板の上に、各種の層間絶縁膜を設けたものを用いても良く、また、導電材料の上に絶縁層を設けたものを用いても良い。

ゲート電極８には、各種の金属やポリシリコン等の半導体など、任意の導電材料を用いることができる。ゲート電極８とチャネル層７との間には、図示しないゲート絶縁膜を設けることができる。ただし、ゲート絶縁膜は必要に応じて設ければ良く省略することができる。ゲート絶縁膜として、ＡｌＯ_ｘなどのＨｉｇｈ−Ｋ絶縁膜を用いると、より良好なＣ−Ｖ特性（静電容量−電圧特性）が得られる。

一方、チャネル層７は、六員環ネットワーク構造を有する炭素材料からなり、例えばグラファイトやカーボンナノチューブなどを用いることができる。また、カーボンナノホーンを用いても良い。カーボンナノウオール（Wall）を用いても良い。本願明細書においては、グラファイトは、グラフェン、カーボンナノホーン及びカーボンナノウオールを含む。

すなわち、スピントランジスタ１１０は、グラファイトやカーボンナノチューブなどの六員環ネットワーク構造の炭素材料をチャネルとしたトランジスタであり、第１電極１０及び第２電極２０の一方がソース電極であり、他方がドレイン電極として機能する。

なお、本願明細書の以下の記述において、第１電極１０と第２電極２０とは、互いに入れ替えることができる。

そして、第１電極１０及び第２電極２０は、それぞれ強磁性体層を有しており、これにより、スピン伝導電流を用いた伝導を利用して動作する。

すなわち、第１電極１０及び第２電極２０のいずれか一方の強磁性体層の磁化の方向が固定され、他方の磁化の方向が変化される。そして、この磁化の方向の変化に基づいて、スピントランジスタの出力特性が制御される。

以下では、一例として、第１電極１０における強磁性体層（第１の層）の磁化の方向が固定され、第２電極２０における強磁性体層（第２の層）の磁化の方向が可変である場合として説明する。なお、既に説明したように、この関係を逆にしても良い。

すなわち、第１電極１０における強磁性体層は固着層（ピン層）であり、第２電極２０における強磁性体層は自由層（フリー層）である。

例えば、第１電極１０は、強磁性体層の上に反強磁性体層が設けられ、その強磁性体層の磁化の方向が固着される。一方、第２電極２０は、強磁性体層の上に非磁性層が設けられ、その強磁性体層の磁化の向きは可変である。ただし、第１電極１０及び第２電極２０の構成は後述するように、各種の変形が可能である。

第１電極１０及び第２電極２０における強磁性体層の磁化の方向は、例えば、主面５ａに対して垂直とすることができ、また、平行とすることができ、任意である。

本具体例では、チャネル層７にはカーボンナノチューブが用いられる。この場合には、カーボンナノチューブの軸の延在方向は、第１電極１０から第２電極２０に向かう方向に対して実質的に平行に配列されていることが望ましい。ここで、カーボンナノチューブの軸は、カーボンナノチューブのそれぞれの厳密な軸ではなく、カーボンナノチューブの全体としての平均的な軸である。

一方、チャネル層７に、面内で実質的に等方性のグラファイト（グラフェンを含む）を用いるときは、例えばグラファイトの面が基板５の主面５ａと平行に設けられ、グラファイトの面の主面５ａにおける方位は任意である。

ここで、説明の便宜上、主面５ａに垂直な方向をｚ軸とし、ｚ軸に垂直で、第１電極１０から第２電極２０に向かう方向をｘ軸とし、ｚ軸とｘ軸とに垂直な方向をｙ軸とする。

なお、スピントランジスタ１１０においては、チャネル長方向がｘ軸方向であり、チャネル幅方向がｙ軸方向である。そして、カーボンナノチューブ延在方向はチャネル方向であるｘ軸に対して平行である。

そして、図１（ａ）に表したように、スピントランジスタ１１０においては、第１電極１０とチャネル層７との間に第１挿入層３０が設けられ、第２電極２０とチャネル層７との間に第２挿入層４０が設けられている。

第１挿入層３０及び第２挿入層４０は、Ｐを含むＧｅ、Ｂを含むＧｅ、Ｐｄ、Ｃｏ、及びＲｈよりなる群から選択された少なくともいずれかを含む。

または、第１挿入層３０及び第２挿入層４０は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａよりなる群から選択されたいずれか１つ、またはＬｉ、Ｎａ、Ｃａよりなる群から選択されたいずれかを含む化合物を含む。

本実施形態に係るスピントランジスタ１１０においては、上記の第１及び第２挿入層３０及び４０を用いることで、強磁性体からなるソース・ドレイン（第１及び第２電極１０及び２０）と有機チャネル（チャネル層７）との間の抵抗を下げることができる。

以下、本発明の基となる実験結果について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態に係るスピントランジスタの特性に関する実験試料の作製工程を例示する工程順模式的断面図である。
すなわち、同図（ａ）は最初の工程であり、同図（ｂ）〜（ｅ）はそれぞれ前の工程に続く図である。

図２（ａ）に表したように、Ｓｉからなる基板３０５のＢＯＸ（Buried Oxide）３０６上のシリコンからなる半導体層３０７の上に、下地電極３０８として、Ｔｉ／Ａｌ（Ｃｕを５原子パーセントで含む）／Ｔｉ積層膜を形成し、所定の形状に加工した。その後、その上に、ＳｉＯ_２からなる絶縁層３０９を形成し、平坦化処理を行った後にＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により下地電極３０８に達するビアホールを形成した。そして、ビアホールの内部及び絶縁層３０９の上に、ＴｉＮ膜３１０と下部挿入層３１１を形成した。

そして、図２（ｂ）に表したように、傾斜イオンミリングによって、絶縁層３０９の上面、及び、ビアホールの上部の側面の下部挿入層３１１を除去した。

さらに、図２（ｃ）に表したように、その後、パルス励起型プラズマによってカーボンナノチューブ層３１２を成長させた。この時、下部挿入層３１１に用いる材料を適切に選択することで、カーボンナノチューブ層３１２は、下部挿入層３１１の上に選択的に成長する。そして、カーボンナノチューブの延在方向は下地電極３０８の主面に対して実質的に垂直な方向となる。

その後、図２（ｄ）に表したように、平坦化した後、実験に供する各種の上部挿入層３１３を形成し、その上に上部電極３１４を形成した。

そして、図２（ｅ）に表したように、上部電極３１４及び上部挿入層３１３を所定の形状に加工して各種の試料が完成する。

発明者は、下部挿入層３１１及び上部挿入層３１３に各種の材料を用いて、下地電極３０８と上部電極３１４との間の抵抗を測定し、下部挿入層３１１及び上部挿入層３１３に、ＣｏまたはＣａＣ_２を用いた場合に抵抗が低くなることを見出した。

さらに、下部挿入層３１１及び上部挿入層３１３に、Ｃｏを用いた場合には、チャネル層７がホール伝導型（以下、「ｐ型」という。）の特性を示し、ＣａＣ_２を用いた場合には、チャネル層７が電子伝導型（以下、「ｎ型」という。）の特性を示すことも見出した。

発明者は、以上の知見に基づいて、さらに、実験を行った。すなわち、第１の実験では、下部挿入層３１１にＣｏを用い、上部挿入層３１３に各種の材料を用いて図２に例示した構成の試料を作製し、下地電極３０８と上部電極３１４との間の抵抗を測定した。この時は、チャネル層７はｐ型である。一方、第２の実験では、下部挿入層３１１にＣａＣ_２を用い、上部挿入層３１３に各種の材料を用いて図２に例示した構成の試料を作製し、下地電極３０８と上部電極３１４との間の抵抗を測定した。この時は、チャネル層７はｎ型である。

そして、第１の実験では、上部挿入層３１３の材料として、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、ＰドープＧｅ、ＢドープＧｅ及びＰドープＳｉの１１種類を用い、それぞれ、試料Ｓ１〜試料Ｓ１１とした。

一方、第２の実験では、上部挿入層３１３の材料として、Ｃａ、ＣａＣ_２、ＣａＮ_２、ＣａＳ、ＬｉＯＣＨ_３（Ｌｉ−Ｏ−ＣＨ系）、ＮａＯＣＨ_３（Ｎａ−Ｏ−ＣＨ系）、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、及びＰドープＳｉの１１種類を用い、それぞれ試料Ｔ１〜試料Ｔ１１とした。

ＰドープＧｅ、ＢドープＧｅ及びＰドープＳｉのドープ量は、１×１０^２０／ｃｍ^３である。上部挿入層３１３の厚さは５ｎｍとした。

そして、下地電極３０８と上部電極３１４との間の抵抗を測定することで、有機チャネルとなるカーボンナノチューブ層３１２の接合抵抗ＲＡを評価した。なお、接合抵抗ＲＡには、有機チャネル（カーボンナノチューブ層３１２）の抵抗も含まれるが、接合抵抗の相対的な比較は可能である。

表１は、第１の実験における試料Ｓ１〜試料Ｓ１１の接合抵抗ＲＡの測定結果を表し、表２は、第２の実験における試料Ｔ１〜試料Ｔ１１の接合抵抗ＲＡの測定結果を表す。

表１に示したように、上部挿入層３１３として、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＰドープＧｅ及びＢドープＧｅを用いた試料Ｓ１〜Ｓ４、Ｓ９及びＳ１０の接合抵抗ＲＡは、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ及びＰドープＳｉを用いた試料Ｓ５〜Ｓ８及びＳ１１に比べて著しく小さい。なお、この時、下地挿入層３１１には、Ｃｏが用いられており、カーボンナノチューブ層３１２（チャネル層）はｐ型である。

表２に示したように、上部挿入層３１３として、Ｃａ、ＣａＣ_２、ＣａＮ_２、ＣａＳ、Ｌｉ−Ｏ−ＣＨ系、及びＮａ−Ｏ−ＣＨ系を用いた試料Ｔ１〜Ｔ６の接合抵抗ＲＡは、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ及びＰドープＳｉを用いた試料Ｔ７〜Ｔ１１に比べて著しく小さい。なお、この時、下地挿入層３１１には、ＣａＣ_２が用いられているので、カーボンナノチューブ層３１２（チャネル層）ｎ型である。

なお、上部挿入層３１３を設けない場合には、接合抵抗ＲＡは、５０００Ωμｍ^２以上である。

一方、粘着性のテープで剥離したグラファイト薄膜（グラフェン薄膜）上の両端に、表１及び表２に例示した各種の材料の薄膜を形成した。すなわち、グラファイト薄膜の両端に、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、ＰドープＧｅ、ＢドープＧｅ及びＰドープＳｉの１１種類の層を積層した。また、グラファイト薄膜の両端に、Ｃａ、ＣａＣ_２、ＣａＮ_２、ＣａＳ、ＬｉＯＣＨ_３（Ｌｉ−Ｏ−ＣＨ系）、ＮａＯＣＨ_３（Ｎａ−Ｏ−ＣＨ系）、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、及びＰドープＳｉの１１種類の層を積層した。すなわち、この実験では、グラファイト薄膜の両端に、表１と表２に例示した同じ種類の材料が積層される。そして、このような試料の接合抵抗ＲＡを調べたところ、表１及び表２と同様の結果を示すことが明らかになった。

このように、有機チャネルとなるカーボンナノチューブやグラファイトの層に、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＰドープＧｅ及びＢドープＧｅのいずれかの層を積層することで接合抵抗を低下できる。なお、この時、有機チャネルはｐ型となる。

また、カーボンナノチューブやグラファイトの層に、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａ、またはこれらのいずれかを含む化合物の層を積層することで接合抵抗を低下できる。なお、この時、有機チャネルはｎ型となる。

本発明は、上記の実験結果を基にしてなされたものであり、スピントランジスタ１１０において、第１電極１０及び第２電極２０と、チャネル層７と、の間に、Ｐを含むＧｅ、Ｂを含むＧｅ、Ｐｄ、Ｃｏ、及びＲｈの少なくともいずれかを含む第１挿入層３０及び第２挿入層４０をそれぞれ設ける、または、第１電極１０及び第２電極２０と、チャネル層７と、の間に、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａよりなる群から選択されたいずれか１つ、またはこれらのいずれかを含む化合物を含む第１挿入層３０及び第２挿入層４０をそれぞれ設けることで、強磁性体からなるソース・ドレインと有機チャネルとの間の界面抵抗が低く、良好なトランジスタ動作を実現するスピントランジスタを提供することができる。

そして、第１挿入層３０及び第２挿入層４０に用いる材料を変えることによって、チャネル層７の導電型が制御できることも新たに見出した。すなわち、例えば、Ｐを含むＧｅ、Ｂを含むＧｅ、Ｐｄ、Ｃｏ、及びＲｈのいずれかを用いることで、ｐ型のＭＯＳＦＥＴが得られ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａ、または、それらのいずれかを含む化合物を用いることでｎ型のＭＯＳＦＥＴが得られる。

換言すれば、チャネル層７がｐ型のときは、第１挿入層３０及び第２挿入層４０は、Ｐを含むＧｅ、Ｂを含むＧｅ、Ｐｄ、Ｃｏ、及びＲｈよりなる群から選択された少なくともいずれかを含むことが好ましい。一方、チャネル層７がｎ型のときは、第１挿入層３０及び第２挿入層４０は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａよりなる群から選択されたいずれか１つ、または、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａよりなる群から選択されたいずれかを含む化合物を含むことが好ましい。

なお、第１挿入層３０及び第２挿入層４０は、Ｐを含むＧｅ、Ｂを含むＧｅ、Ｐｄ、Ｃｏ、及びＲｈの少なくともいずれかを含む、または、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａよりなる群から選択されたいずれか１つ、またはこれらのいずれかを含む化合物を含めば良く、互いに材料組成や膜構成が異なっていても良い。ただし、本具体例のように、実質的に同じ平面内に第１挿入層３０及び第２挿入層４０が設けられる場合には、互いの材料組成や膜構成が同じであると製造が容易となり、望ましい。

以下では、強誘電体層の磁化の方向と、それに適した第１及び第２挿入層３０及び４０の材料について説明する。
表１に例示した挿入層として好ましいＰｄ、Ｒｈ、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＰドープＧｅ及びＢドープＧｅに関して、これらの材料からなる層の上に垂直磁化膜（磁化容易軸が膜面に対して垂直である膜）を成長させ、磁気異方性を調べた。この時、垂直磁化膜用の強磁性層材料としては、Ｆｅ−Ｐｄ合金、Ｆｅ−Ｐｔ合金、Ｆｅ−Ｐｄ−Ｐｔ合金、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜、Ｆｅ／Ｐｄ積層膜及びＦｅ／Ｐｔ積層膜を用いた。

その結果、Ｐｄ、Ｃｏ及びＲｈの層の上で磁化容易軸は膜面に垂直であることが明らかになった。この時、Ｐｄ、Ｃｏ及びＲｈのいずれか２つ以上の合金でも磁化容易軸は膜面に垂直であることが明らかになった。さらに、これらの元素の合金でも良いことが明らかになった。上記以外の元素を挿入層として用いた場合は、上記の垂直磁化膜を堆積してもスピン容易軸に面内磁化成分が入ってしまい磁化が傾いてしまうことが明らかになった。

従って、第１電極１０及び第２電極２０における強磁性体層（第１及び第２の層）の磁化容易軸が、主面５ａに対して垂直である場合は、第１及び第２挿入層３０及び４０は、Ｐｄ、Ｃｏ及びＲｈよりなる群から選択されたいずれか１つ、または、いずれか２つ以上を含む合金からなることが望ましい。

さらに、表１に例示した挿入層として好ましいＰｄ、Ｒｈ、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＰドープＧｅ及びＢドープＧｅに関して、これらの材料からなる層の上に面内磁化膜（磁化容易軸が膜面に平行である膜）を成長させ、磁気異方性を調べた。この時、磁化容易軸用の強磁性層材料としては、Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_０．５Ｓｕ_０．５合金、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ及びＣｏＦｅＢを用いた。

その結果、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＰドープＧｅ及びＢドープＧｅの層の上においては、上記の面内磁化膜（Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_０．５Ｓｕ_０．５合金、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ及びＣｏＦｅＢ）の膜厚が２ｎｍ未満の場合においても磁化容易軸は膜面に平行でないことが分かった。

また、上記の面内磁化膜の膜厚が５ｎｍ以上の場合においては、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＰドープＧｅ及びＢドープＧｅの全ての材料を用いた場合において、磁気異方性の観点から好ましい特性を示すことが明らかになった。

従って、第１電極１０及び第２電極２０における強磁性体層（第１及び第２の層）の磁化容易軸が、主面５ａに対して水平である場合は、面内磁化膜の膜厚は５ｎｍ以上であることが望ましい。

表２に例示した挿入層として好ましいＬｉ、Ｎａ、Ｃａ、及び、これらを含む合金に関して、これらの材料からなる層の上に垂直磁化膜を成長させ、磁気異方性を調べた。この時、垂直磁化膜用の強磁性層材料としては、ＦｅＰｄ合金、Ｆｅ−Ｐｔ合金、Ｆｅ−Ｐｄ−Ｐｔ合金、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜、Ｆｅ／Ｐｄ積層膜及びＦｅ／Ｐｔ積層膜を用いた。

その結果、垂直磁化膜の膜厚が５ｎｍよりも薄い場合は、上記の垂直磁化膜を堆積してもスピン容易軸に面内磁化成分が入ってしまい磁化が傾いてしまうことが明らかになった。

従って、第１電極１０及び第２電極２０における強磁性体層（第１及び第２の層）の磁化容易軸が主面５ａに対して垂直である場合は、垂直磁化膜の膜厚が５ｎｍ以上であることが望ましい。

さらに、表２に例示した挿入層として好ましいＬｉ、Ｎａ、Ｃａ、及び、これらを含む合金に関して、これらの材料からなる層の上に面内磁化膜を成長させ、磁気異方性を調べた。この時、面内磁化膜用の強磁性層材料としては、Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_０．５Ｓｕ_０．５合金、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ及びＣｏＦｅＢを用いた。

その結果、この場合は、膜厚に特に制限はなく膜厚が薄い場合も面内磁化膜になっており、磁化容易軸は膜面に平行であることが分かった。ただし、超常磁性にならない程度の膜厚は必要であり、面内磁化膜の膜厚は２ｎｍ以上であることが望ましい。

なお、第１及び第２挿入層３０及び４０は、それぞれ第１及び第２電極１０及び２０とチャネル層７との間の他、チャネル層７の第１及び第２電極１０及び２０とは反対の側にも設けられても良い。以下、この構造に関して説明する。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る別のスピントランジスタの構成を例示する模式的断面図である。
図３に表したように、本実施形態に係る別のスピントランジスタ１１１においては、第１及び第２挿入層３０及び４０は、チャネル層７の上側（第１及び第２電極１０及び２０の側）及び下側（第１及び第２電極１０及び２０とは反対の側、すなわち、基板５の側）にも設けられている。これにより、接合抵抗をより低下させることができる。以下、この構造に関する実験結果を説明する。

表１及び表２に示した材料のそれぞれの層からなるメタル電極パッドを等間隔でパターニングした基板と、ＳｉＯ_２からなる絶縁膜パッドを設けた基板の両方を用意し、それらの基板の上に、アークメルト法と粘着テープによる転写法とにより、カーボンナノチューブ及びグラフェンの層をそれぞれ形成した。そして、顕微鏡にてメタル電極パッド及び絶縁膜パッドをまたいでカーボンナノチューブまたはグラフェンが堆積されているものを見つけた後に、その上にさらに、表１に示した材料を堆積した。

なお、グラフェンの層の形成には、紫外光照射ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって、紫外光を照射した領域にグラフェンを選択成長させる方法を採用しても良い。また、カーボンナノチューブもＣＶＤ法で選択成長させることが生産上は好ましい。

これにより、チャネル層７に相当するカーボンナノチューブまたはグラフェンが、表１及び表２に示した材料で挟まれた構造（図３に例示した構造）、及び、表１、及び表２に示した材料と絶縁層（ＳｉＯ_２）とで挟まれた構造が作製される。メタル電極パッド及び絶縁膜パッドの両方とも、パッド間の間隔は１μｍとした。このとき、パッド間の抵抗には、カーボンナノチューブまたはグラフェンの抵抗が加算されてしまうが、抵抗の差は界面抵抗の差によって決まるため、これにより、材料の差及び構造の差による界面抵抗の差が比較できる。

表３及び表４に、抵抗の測定結果を示す。

表３及び表４において、片側構造とは、カーボンナノチューブまたはグラフェンの一方の面が、各種の材料からなる層に接している構造（図１に例示した構造）であり、両側構造とは、カーボンナノチューブまたはグラフェンの両方の面（上面及び下面）が、各種の材料からなる層に接している構造（図３に例示した構造）に対応する。

表３及び表４に表したように、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＰドープＧｅ及びＢドープＧｅを用いた試料Ｓ１ａ〜Ｓ４ａ、Ｓ９ａ及びＳ１０ａ、並びに、Ｃａ、ＣａＣ_２、ＣａＮ_２、ＣａＳ、Ｌｉ−Ｏ−ＣＨ系、及びＮａ−Ｏ−ＣＨ系を用いた試料Ｔ１ａ〜試料Ｔ６ａの抵抗Ｒは、カーボンナノチューブ及びグラフェンのいずれの場合も、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ及びＰドープＳｉを用いた試料Ｓ５ａ〜Ｓ８ａ及びＳ１１ａ、並びに、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ及びＰドープＳｉを用いた試料Ｔ７ａ〜Ｔ１１ａに比べて著しく小さい。

そして、両側構造の場合、片側構造よりもさらに抵抗が低下する。すなわち、カーボンナノチューブまたはグラフェンチャネルをＰｄ、Ｒｈ、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＰドープＧｅ及びＢドープＧｅ、または、Ｃａ、ＣａＣ_２、ＣａＮ_２、ＣａＳ、Ｌｉ−Ｏ−ＣＨ系、及びＮａ−Ｏ−ＣＨ系によって、サンドイッチした構造（図３に例示した構造）において、界面抵抗が著しく低下し、スピントランジスタの構造としてより好ましいことが明らかになった。

第１及び第２挿入層３０及び４０は、チャネル層７におけるスピン伝導のスピン状態に対して悪影響を実質的に与えない。このために、第１及び第２挿入層３０及び４０に用いる材料によっては、その層厚が適切に制御される。

例えば、第１及び第２挿入層３０及び４０としてＰｄ及びＲｈのいずれかを用いる場合には、第１及び第２挿入層３０及び４０の層厚は、１０ｎｍ以下にすることが望ましい。すなわち、１０ｎｍよりも厚いとスピン状態に影響を与え、特性が劣化する。

また、第１及び第２挿入層３０及び４０としてＰドープＧｅ及びＢドープＧｅのいずれかを用いる場合は、または、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａ及びこれらのいずれかを含む化合物を用いる場合には、第１及び第２挿入層３０及び４０の層厚は、５０ｎｍ以下にすることが望ましい。すなわち、５０ｎｍよりも厚いとスピン状態に影響を与え、特性が劣化する。

また、第１及び第２挿入層３０及び４０としてＣｏ及びＣｏを含む合金を用いる場合には、第１及び第２挿入層３０及び４０の層厚は、比較的厚くても良く、例えば１００ｎｍ以上の厚さでも良い。

以下、本実施形態に係るスピントランジスタの具体的な構造の例について説明する。
図４は、本発明の第１の実施形態に係る別のスピントランジスタの構成を例示する模式的断面図である。
図４に表したように、本実施形態に係る別のスピントランジスタ１１２においては、ゲート電極８とチャネル層７との間にゲート絶縁膜８ｉが設けられている。

ゲート絶縁膜８ｉには、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）を用いることができる。またシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）を用いることができる。さらに、上記の酸化膜や窒化膜よりも、ゲート絶縁膜８ｉとして、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、Ｙａ_２Ｏ_３、希土類酸化物などの高誘電体材料を用いた場合には、特性が向上する。また、Ｇｅ酸化物またはＧｅ窒化膜を用いることもできる。このＧｅ酸化膜は、例えばプラズマ酸化により堆積できる。また、Ｇｅ窒化膜は、例えばプラズマ窒化またはＣＶＤによる堆積法によって得られ、また、Ｇｅ表面をアンモニアガスや窒素ガスを用いて直接窒化する方法によっても得られる。

さらに、ゲート絶縁膜８ｉには、Ｈｆシリケート、Ｚｒシリケート及びＬａシリケートなどのように、酸化シリコン中にＨｆ、Ｚｒ及びＬａなどの金属が固溶した高誘電体材料を用いても良い。

またゲート電極８としては、ｐ型またはｎ型の不純物がドーピングされたポリＳｉまたはポリＳｉＧｅ等を用いることができるが、ゲート絶縁膜８ｉとして上記のような高誘電体材料を用いる場合には、ゲート電極８には、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＴａＣ、希土類金属、及び、希土類遷移金属合金などのような金属系材料を用いても良い。

なお、ゲート絶縁膜８ｉは、例えば、ゲート電極８とチャネル層７とでショットキー障壁構造が形成される場合は、省略することができる。ショットキー障壁構造が形成されるゲート電極８の材料としては、Ａｌ、Ｃｕ等の他、ポリシリコンが挙げられる。なお、ここで、上記のショットキー障壁構造は、金属と半導体との間に形成されるショットキー障壁の他、金属と半導体との間に形成されるショットキー障壁におけるバンド構造に類似のバンド構造を有する障壁を含む。

このように、チャネル層７の上にゲート電極８を直接設ける場合には、ショットキー障壁を作製するために、第１及び第２挿入層３０及び４０に用いられるＰを含むＧｅ、Ｂを含むＧｅ、Ｐｄ、Ｃｏ及びＲｈ、並びに、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａ及びこれらを含む合金の少なくともいずれかとは異なる材料をゲート電極８に用いることが望ましい。

なお、図４に例示したスピントランジスタ１１２において、チャネル層７の両面（本具体例では上面及び下面）を第１及び第２挿入層３０及び４０となる層で挟む構造（図３に例示した構造）を適用しても良い。

図５は、本発明の第１の実施形態に係る別のスピントランジスタの構成を例示する模式的断面図である。
図５（ａ）に表したように、本実施形態に係る別のスピントランジスタ１１３ａにおいては、第１電極１０は、第１の層１１と、第１の層１１の上に設けられ、反強磁性材料からなる反強磁性体層１５と、を有している。一方、第２電極２０は、第２の層２１と、第２の層２１の上に設けられ、導電性の非磁性材料からなる非磁性層２６と、を有している。

この構成においては、第１の層１１の磁化の方向が固着され、第２の層２１の磁化の向きは可変である。なお、第１電極１０及び第２電極２０は相互に入れ替えることができ、第１の層１１の上に非磁性層を設け、第２の層２１の上に反強磁性体層を設けても良い。

図５（ｂ）に表したスピントランジスタ１１３ｂのように、スピントランジスタ１１３ａの構造において、さらに、ゲート絶縁膜８ｉを設けても良い。

なお、上記のスピントランジスタ１１３ａ及び１１３ｂにおいて、図３に例示した構造（チャネル層７を挿入層で挟む構造）を適用しても良い。

図６は、本発明の第１の実施形態に係る別のスピントランジスタの構成を例示する模式的断面図である。
図６（ａ）に表したように、本実施形態に係る別のスピントランジスタ１１４ａにおいては、第２の層２１は、第１強磁性体膜２１ａと、第２強磁性体膜２１ｃと、第１及び第２強磁性体膜２１ａ及び２１ｃの間に設けられたトンネル障壁膜２１ｂと、を有する。すなわち、第２の層２１は、強磁性ＭＴＪ（Magnetic Tunneling Junction）構造を有する。

そして、本具体例では、第１強磁性体膜２１ａがフリー層であり、第２強磁性体膜２１ｃがピン層である。なお、第１電極１０の第１の層１１はピン層である。

トンネル障壁膜２１ｂには、ＭｇＯ、ＳｉＯ_ｘ、ＳｉＮ_ｘ、ＡｌＯ_ｘ、ＧｅＯ_ｘ、ＧｅＮ_ｘ、ＧａＯ_ｘ、希土類酸化物及び希土類窒化物のいずれかからなる単層、または、その積層体を用いることができる。

このようなＭＴＪ構造を適用することで、電流の向きが、第１電極１０から第２電極２０への方向、または、第２電極２０から第１電極１０への方向、のいずれかによって、フリー層である第１強磁性体膜２１ａの磁化の向きを反転することが可能となる。すなわち、スピン注入磁化反転が起きる。

なお、本具体例では、第２電極２０においては、上記のＭＴＪ構造を有する第２の層２１の上に反磁性体層２５が設けられているが、第２の層２１の上に非磁性体層を設けても良い。

なお、既に説明したように、図６（ａ）に例示した第１電極１０の構造と第２電極２０の構造を互いに入れ替えても良い。

また、図６（ｂ）に表したスピントランジスタ１１４ｂのように、スピントランジスタ１１４ａの構造において、さらに、ゲート絶縁膜８ｉを設けても良い。

なお、上記のスピントランジスタ１１４ａ及び１１４ｂにおいて、図３に例示した構造（チャネル層７を挿入層で挟む構造）を適用しても良い。

図７は、本発明の第１の実施形態に係る別のスピントランジスタの構成を例示する模式的図である。
すなわち、同図（ｂ）は平面図であり、同図（ａ）は同図（ｂ）のＡ−Ａ’線断面図である。なお、同図（ｂ）では、チャネル層７は省略されている。
図７（ａ）に表したように、本実施形態に係る別のスピントランジスタ１１５ａにおいては、第１の層１１は、第１強磁性体膜１１ａと、第２強磁性体膜１１ｃと、第１及び第２強磁性体膜１１ａ及び１１ｃの間に設けられたトンネル障壁膜１１ｂと、を有する。すなわち、第１の層１１は、強磁性ＭＴＪ構造を有する。一方、第２電極２０は、スピントランジスタ１１４ａと同様の構造である。

このように、第１及び第２の層１１及び２１の両方にＭＴＪ構造を適用した場合には、第１及び第２の層１１及び２１、すなわち、第１及び第２電極１０及び２０とで、面積や平面形状を変えることが有効である。

すなわち、図７（ｂ）に表したように、本具体例においては、第１電極１０の面積（すなわち、ｚ軸方向からみたときの面積）は、第２電極２０の面積よりも大きい。すなわち、第１の層１１の膜面の面積は、第２の層２１の膜面の面積よりも大きい。

この場合、第１電極１０における第１強磁性体膜１１ａは、第２電極２０における第１強磁性体膜２１ａに比べ、相対的に磁化反転し難い層となる。

すなわち、第１電極１０における第１強磁性体膜１１ａは磁化が反転し難いフリー層であり、第２強磁性体膜１１ｃはピン層である。一方、第２電極２０における第１強磁性体膜２１ａは磁化が反転し易いフリー層であり、第２強磁性体膜２１ｃはピン層である。

電流の方向を、第１電極１０から第２電極２０への方向と、第２電極２０から第１電極１０への方向と、に変えたときに、膜面の面積が小さい方のフリー層（本具体例では第１強磁性体膜２１ａ）の磁化が反転する。そして、膜面の面積の大きい方のフリー層（本具体例では第１強磁性体膜１１ａ）の磁化は反転し難く、ピン層として働く。

すなわち、第１電極１０の第１の層１１（第１強磁性体膜１１ａ）と第２電極２０の第１の層２１（第１強磁性体膜２１ａ）との膜面の面積を変えることで、スピンの反転のマージンが拡大でき、片方のスピン方向のみを書き換える動作が安定化する。面積の比は、例えば１．０７倍以上が好ましく、より好ましくは１．１倍以上が好ましい。

なお、第１の層１１（第１強磁性体膜１１ａ）の面積と第２の層２１（第１強磁性体膜２１ａ）との面積を変える場合には、図７（ｂ）に例示したようにチャネル方向に対して垂直な方向（すなわちｙ軸方向）の長さを変えることが望ましい。すなわち、第１強磁性体膜１１ａと第１強磁性体膜２１ａとにおいて、スピン反転の基となる電流の経路の幅方向の長さを変えることで、両者におけるスピン反転のし易さが制御し易くなる。

なお、スピントランジスタ１１５ａにおいて、さらに、ゲート絶縁膜８ｉを設けても良い。また、スピントランジスタ１１５ａ及びそれにゲート絶縁膜８ｉをさらに設けた構造において、図３に例示した構造（チャネル層７を挿入層で挟む構造）を適用しても良い。

図８は、本発明の第１の実施形態に係る別のスピントランジスタの構成を例示する模式的平面図である。
図８に表したように、本実施形態に係る別のスピントランジスタ１１５ｂにおいては、第１電極１０と第２電極２０とでその平面形状が変えられている。これ以外の構造は、スピントランジスタ１１５ａと同様である。すなわち、第１及び第２の層１１及び１２がＭＴＪ構造を有しており、第１及び第２の層１１及び１２とで膜面の平面形状が変えられている。

本具体例では、第２の層２１の平面形状は実質的に長方形であり、第１の層１１の平面形状は１つの辺がｘ軸に対して非平行な四角形である。すなわち第２の層２１の平面形状はｘ軸に関して線対称であるのに対して、第１の層１１の平面形状はｘ軸に関して非対称である。この場合、第１及び第２の層１１及び２１の面積が同じであった場合においても、非対称である第１の層１１の第１強磁性体膜１１ａにおいては、第２の層２１の第１強磁性体膜２１ａと比較して、相対的にスピンが反転し難くなる。これにより、両者のスピン反転のマージンが拡大できる。

図９は、本発明の第１の実施形態に係る別のスピントランジスタにおける強磁性体層の形状を例示する模式的平面図である。
すなわち、同図（ａ）、（ｂ）は、第１及び第２の層１１及び２１に適用される２種類の平面形状を例示している。
図９（ａ）に表したように、平面形状が線対称な形状の場合、スピンは反転し易い。一方、図９（ｂ）に例示したように、平面形状が線非対称な形状の場合、スピンは反転し難い。このように、第１及び第２の層１１及び２１とで、平面形状を例えば線対称と線非対称とに変えることで、スピン注入書き込み時のマージンが広がる。

なお、線非対称な平面形状において、１つの辺の長さｄ１が他の辺の長さｄ２の１．１倍以上であることが望ましい。

なお、第１及び第２の層１１及び２１とで膜面の面積を変えることによってスピン反転のし易さを制御する方法と、第１及び第２の層１１及び２１とで平面形状を変えることでスピン反転のし易さを制御する方法と、同時に実施しても良い。これにより、さらにマージンが拡大する。

なお、基板５の上の同じ平面内に第１及び第２電極１０及び２０が配置される場合には、第１及び第２電極１０及び２０に用いられる膜構成及び材料を同じに設定すると製造が簡単になり有利である。この場合において、第１及び第２電極１０及び２０、すなわち、第１及び第２の層１１及び２１とで膜面の面積及び平面形状の少なくともいずれかを変える方法は、マスクの形状を変えるだけで簡単に実現できる。従って、第１及び第２電極１０及び２０の膜構成及び材料を同じ場合は、膜面の面積及び平面形状の少なくともいずれかを変える方法を採用することが望ましい。

図１０は、本発明の第１の実施形態に係る別のスピントランジスタの構成を例示する模式的断面図である。
すなわち、同図（ａ）は、垂直磁化膜を用いた場合であり、同図（ｂ）は、面内磁化膜を用いた場合を例示している。
図１０（ａ）に表したように、本実施形態に係るスピントランジスタ１１６ａにおいては、第１及び第２の層１１及び１２に垂直磁化膜が用いられている。既に説明したように、この場合には、第１及び第２挿入層３０及び４０が、Ｐｄ、Ｃｏ及びＲｈよりなる群から選択されたいずれか１つ、またはいずれか２つ以上を含む合金からなる、または、垂直磁化膜の膜厚を５ｎｍよりも厚くすることが望ましい。

そして、垂直磁化膜である第１及び第２の層１１及び１２には、Ｆｅ−Ｐｄ合金膜、Ｆｅ−Ｐｔ合金膜、Ｆｅ−Ｐｄ−Ｐｔ合金膜、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜、Ｆｅ／Ｐｄ積層膜及びＦｅ／Ｐｔ積層膜の少なくともいずれかの膜を用いることができる。さらに、これらのいずれか膜に、ＭＲ比の大きい材料をさらに積層したものを用いることができる。

図１０（ｂ）に表したように、本実施形態に係るスピントランジスタ１１６ｂにおいては、第１及び第２の層１１及び１２に面内磁化膜が用いられている。既に説明したように、チャネル層７には、第１及び第２挿入層３０及び４０には、Ｐを含むＧｅ、Ｂを含むＧｅ、Ｃｏ、及びＣｏを含む合金、よりなる群から選択されいずれかを用いることができる。なお、この場合には、チャネル層７はｐ型となる。また、第１及び第２挿入層３０及び４０には、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａよりなる群から選択されたいずれか１つ、またはそれらのいずれかを含む化合物を用いることができる。なお、この場合には、チャネル層７はｎ型となる。

なお、図１０（ｂ）に表したように、面内磁化膜を用いる際には、磁化Ｍの方向は、ｙ軸、すなわち、主面５ａに平行な平面内においてチャネル方向に対して垂直な方向とすることが望ましい。

なお、スピントランジスタ１１６ａ及び１１６ｂにおいて、さらに、ゲート絶縁膜８ｉを設けても良い。また、スピントランジスタ１１６ａ及び１１６ｂ、並びにそれらにゲート絶縁膜８ｉをさらに設けた構造において、図３に例示した構造（チャネル層７を挿入層で挟む構造）を適用しても良い。

図１１は、本発明の第１の実施形態に係る別のスピントランジスタの構成を例示する模式的断面図である。
すなわち、同図（ａ）は、垂直磁化膜を用いた場合を例示し、同図（ｂ）は、面内磁化膜を用いた場合を例示している。
そして本具体例では、第１及び第２電極１０及び２０（すなわち、第１の層１１及び第２の層２１）の一方にＭＴＪ構造が採用されている。

すなわち、図１１（ａ）に表したように、垂直磁化膜を用いたスピントランジスタ１１７ａにおいては、第２電極２０の第２の層２１がＭＴＪ構造を有している。この場合、第２の層２１の第１強磁性体膜２１ａがフリー層となり、第２強磁性体膜２１ｃがピン層となる。一方、第１電極１０の第１の層１１はピン層である。

一方、図１１（ｂ）に表したように、面内磁化膜を用いたスピントランジスタ１１７ｂにおいても、第２電極２０の第２の層２１がＭＴＪ構造を有している。この場合も、第２の層２１の第１強磁性体膜２１ａがフリー層となり、第２強磁性体膜２１ｃがピン層となる。一方、第１電極１０の第１の層１１はピン層である。

図１２は、本発明の第１の実施形態に係る別のスピントランジスタの構成を例示する模式的断面図である。
すなわち、同図（ａ）は、垂直磁化膜を用いた場合を例示し、同図（ｂ）は、面内磁化膜を用いた場合を例示している。
そして本具体例では両方の電極にＭＴＪ構造が採用され、電極の面積が変えられている。

すなわち、図１２（ａ）に表したように、垂直磁化膜を用いたスピントランジスタ１１８ａにおいては、第１及び第２電極１０及び２０の第１及び第２の層１１及び２１がＭＴＪ構造を有している。そして、本具体例では、第１の層１１の膜面の面積は、第２の層２１よりも大きい。すなわち、第２の層２１の第１強磁性体膜２１ａがフリー層となり、第２強磁性体膜２１ｃがピン層となる。一方、第１の層１１の第１強磁性体膜１１ａ及び第２強磁性体膜１１ｃは固着される。

また、図１２（ｂ）に表したように、面内磁化膜を用いたスピントランジスタ１１８ｂにおいても、第１及び第２電極１０及び２０の第１及び第２の層１１及び２１がＭＴＪ構造を有している。そして、本具体例では、第１の層１１の膜面の面積は、第２の層２１よりも大きい。すなわち、この場合も、第２の層２１の第１強磁性体膜２１ａがフリー層として機能する。

上記の垂直磁化膜を用いたスピントランジスタ１１７ａ及び１１８ａにおいては、第１及び第２挿入層３０及び４０には、Ｐｄ、Ｃｏ及びＲｈよりなる群から選択されたいずれか１つ、またはいずれか２つ以上を含む合金を用いることが望ましい。

また、面内磁化膜を用いたスピントランジスタ１１７ｂ及び１１８ｂにおいて、第１及び第２挿入層３０及び４０には、Ｐを含むＧｅ、Ｂを含むＧｅ、Ｃｏ、及びＣｏを含む合金よりなる群から選択されたいずれかを用いることができる。なお、この場合には、チャネル層７はｐ型となる。また、第１及び第２挿入層３０及び４０には、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａよりなる群から選択されたいずれか１つ、またはこれらのいずれかを含む化合物を用いることができる。なお、この場合には、チャネル層７はｎ型となる。

なお、上記のスピントランジスタ１１７ａ、１１７ｂ、１１８ａ及び１１８ｂにおいて、さらに、ゲート絶縁膜８ｉを設けても良い。また、スピントランジスタ１１７ａ、１１７ｂ、１１８ａ及び１１８ｂ、並びにそれらにゲート絶縁膜８ｉをさらに設けた構造において、図３に例示した構造（チャネル層７を挿入層で挟む構造）を適用しても良い。

図１３は、本発明の第１の実施形態に係る別のスピントランジスタの構成を例示する模式的断面図である。
すなわち、同図（ａ）〜（ｃ）は、既に説明したスピントランジスタ１１６ｂ、１１７ｂ及び１１８ｂのそれぞれの変形例を例示している。
図１３（ａ）に表したように、スピントランジスタ１２１ａにおいては、スピントランジスタ１１６ｂにおいて、第１電極１０と第１挿入層３０との間にトンネル障壁層１７が設けられ、第２電極２０と第２挿入層４０との間にトンネル障壁層２７が設けられている。

同様に、図１３（ｂ）及び（ｃ）に表したように、スピントランジスタ１２１ｂ及１２１ｃにおいては、スピントランジスタ１１７ｂ及び１１８ｂのそれぞれにおいて、第１電極１０と第１挿入層３０との間にトンネル障壁層１７が設けられ、第２電極２０と第２挿入層４０との間にトンネル障壁層２７が設けられている。

トンネル障壁層１７及び２７には、ＭｇＯ、ＳｉＯ_ｘ、ＳｉＮ_ｘ、ＡｌＯ_ｘ、ＧｅＯ_ｘ、ＧｅＮ_ｘ、ＧａＯ_ｘ、希土類酸化物及び希土類窒化物のいずれかからなる単層、または、その積層体を含むことができる。

このように、トンネル障壁層１７及び２７を用いることによって、チャネル層７を介したスピン依存伝導が大きくなり、より好ましい。

なお、トンネル障壁層１７及び２７は、それぞれ第１及び第２電極１０及び２０とは別体として説明したが、トンネル障壁層１７及び２７は、それぞれ第１及び第２電極１０及び２０に含まれるものとしても良い。

なお、本具体例では、第１電極１０と第２電極２０の両方においてそれぞれトンネル障壁層１７及び２７が設けられているが、トンネル障壁層は、第１電極１０と第１挿入層３０との間、及び、第２電極２０と第２挿入層４０との間、の少なくともいずれかに設けることができる。

また、同様に、垂直磁化膜を用いたスピントランジスタ１１６ａ、１１７ａ及び１１８ａのそれぞれにおいて、トンネル障壁層を１電極１０と第１挿入層３０との間、及び、第２電極２０と第２挿入層４０のとの間、の少なくともいずれかに設けることができる。

なお、上記のトンネル障壁層をさらに付与した各種のスピントランジスタにおいて、さらに、ゲート絶縁膜８ｉを設けても良く、また、図３に例示した構造（チャネル層７を挿入層で挟む構造）を適用しても良い。

さらに、第１及び第２の層１１及び２１の少なくともいずれかは、シンセティック構造を有することができる。
図１４は、本発明の第１の実施形態に係るスピントランジスタに適用できるシンセティック構造の構成を例示する模式的断面図である。
すなわち、同図（ａ）は垂直磁化膜におけるシンセティック構造を例示し、同図（ｂ）は面内磁化膜におけるシンセティック構造を例示している。
図１４（ａ）に表したように、磁化が膜面に対して垂直なフリー層３３１の上に、シンセティック構造のピン層３３４が積層されている。ピン層３３４においては、膜面に対して垂直で互いに反平行の磁化を有する第１磁性膜３３２と第２磁性膜３３３とが非磁性層を間に介して積層されている。このようなシンセティック構造を採用することにより、第１磁性膜３３２からの漏洩磁界Ｈ１と、第２磁性膜３３３からの漏洩磁界Ｈ２との向きが逆方向となり、互いに打ち消す方向となる。これにより、ピン層３３４からの漏洩磁界はキャンセルされ、ピン層３３４の熱安定性とフリー層３３１のシフト調整ができる。

同様に、図１４（ｂ）に表したように、磁化が膜面に対して平行なフリー層３４１の上に、シンセティック構造のピン層３４４が積層されている。ピン層３４４も、膜面に対して垂直で互いに反平行の磁化を有する第１磁性膜３４２と第２磁性膜３４３との非磁性層を間に介した積層構造を有する。これにより、ピン層３４４からの漏洩磁界はキャンセルされ、ピン層３４４の熱安定性とフリー層３４１のシフト調整ができる。

図１４（ａ）及び（ｂ）に例示したシンセティック構造を、第１及び第２の層１１及び２１の少なくともいずれかに適用することができる。

そして、ピン層としてこのようなシンセティック構造の層を用いた場合に、ピン層のさらに上に非磁性層を設けることで、磁界のシフト調整を行うことが可能となる。

図１５は、本発明の第１の実施形態に係る別のスピントランジスタの構成を例示する模式的断面図である。
図１５に表したように、本実施形態に係る別のスピントランジスタ１２２においては、第１の層１１は、第３強磁性体膜１２ａと、第４強磁性体膜１２ｃと、第３及び第４強磁性体膜１２ａ及び１２ｃの間に設けられた非磁性金属膜１２ｂと、を有している。同様に、第２の層２１は、第３強磁性体膜２２ａと、第４強磁性体膜２２ｃと、第３及び第４強磁性体膜２２ａ及び２２ｃの間に設けられた非磁性金属膜２２ｂと、を有している。

非磁性金属膜１２ｂ及び２２ｂには、Ｒｕ、Ｒｈ及びＩｒのいずれかからなる単層、または、その積層体を含む膜を用いることができる。

このような構造を採用することでピン層のスピンがより安定化し、より好ましい。

なお、上記の非磁性金属膜１２ｂ及び２２ｂを有する構造は、第１及び第２の層１１及び２１のいずれか一方に設けても良い。すなわち、第１及び第２の層１１及び１２の少なくともいずれかは、第３強磁性体膜と、第４強磁性体膜と、前記第３及び前記第４強磁性体膜の間に設けられ、Ｒｕ、Ｒｈ及びＩｒのいずれかからなる単層、または、その積層体を含む非磁性金属膜を有することができる。

さらに、上記の構造の第１の層１１の上に反強磁性体層１５を設けることができ、これにより、スピンがより安定化する。同様に、上記の構造の第２の層２１の上に反強磁性体層２５を設けることができ、これにより、スピンがより安定化する。また、反強磁性体層１５及び２５の両方を設けることもできる。

この時、反強磁性体層１５及び２５には、Ｐｔ−Ｍｎ合金、Ｉｒ−Ｍｎ合金、Ｆｅ−Ｍｎ合金、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ合金及びＮｉ−Ｍｎ合金の少なくともいずれかを含むことができる。これらの材料を用いることにより、スピンがより安定する。

なお、第１及び第２の層１１及び１２にフルホイスラー合金磁性薄膜を用いる場合には、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_ｘＳｉ_１−ｘやＣｏ_２ＭｎＳｉ_ｘＡ_１−ｘなどのＣｏ系フルホイスラー合金を用いると強磁性転移温度が高くなるので好ましい。

また、フリー層（磁気記録層）の構造として、強磁性体膜／非磁性金属膜（例えばＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒまたはこれらの合金）／強磁性体膜の積層構造を用いた場合、フリー層の熱安定性、及び、書き込みを行った場合の容易軸の書き込み時の安定性が増し、スケーリングを行い微細化した場合でもより小さなスピントランジスタの作製が可能となる。

（第１の実施例）
図１６は、本発明の第１の実施例に係るスピントランジスタの構成を例示する模式図である。
すなわち、同図（ｂ）は平面図であり、同図（ａ）は同図（ｂ）のＡ−Ａ’線断面図である。
図１６（ａ）に表したように、本実施形態の第１の実施例に係るスピントランジスタ１３１は、図１３（ｃ）に例示したスピントランジスタ１２１ｃにおいてゲート絶縁膜８ｉが設けられた構成を有している。すなわち、スピントランジスタ１３１は、第１及び第２の層１１及び２１の両方がＭＴＪ構造を有しており、さらに、第１電極１０と第１挿入層３０との間、及び、第２電極２０と第２挿入層４０との間に、それぞれトンネル障壁層１７及び２７が設けられている。

そして、図１６（ｂ）に表したように、第１の層１１（第１電極１０）及び第２の層２１（第２電極２０）とで、膜面の面積が変えられている。すなわち、第１の層１１のｘ軸方向及びｙ軸方向の長さＬ１及びＷ１は供に０．８μｍである。一方、第２の層２１のｘ軸方向の長さＬ２は０．８μｍであり、ｙ軸方向の長さＷ２は０．３μｍである。なお、ゲート電極８のｘ軸方向の長さＬ３は１．０μｍであり、ｙ軸方向の長さＷ３は０．８μｍである。すなわち、スピントランジスタ１３１のゲート長は１．０μｍである。また、それぞれの電極の平面形状は、角が丸い形状である。

スピントランジスタ１３１は以下のようにして作製される。
図１７は、本発明の第１の実施例に係るスピントランジスタの製造方法の一工程を例示する模式的断面図である。
まず、基板５の主面の上に、例えばパルス励起型プラズマによってカーボンナノチューブからなるチャネル層７を形成する。そして、その上にゲート絶縁膜８ｉとゲート電極８を０．８μｍ×１．０μｍの大きさで形成する。そして、その上にＳｉＯ_２からなる絶縁膜９を形成し、その絶縁膜９に第１電極１０用の０．８μｍ×０．８μｍの大きさのビア９ａ、及び、第２電極２０用の０．８μｍ×０．３μｍの大きさのビア９ｂを形成する。なお、これらビア９ａ及び９ｂの平面形状は、図１６（ｂ）に例示したように、角が丸い形状である。

そして、これらのビア９ａ及び９ｂの内部、並びに、絶縁膜９の上に、指向性の良いスパッタ法により、Ｐｄ層／ＭｇＯ膜（厚さ０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ膜（厚さ３．５ｎｍ）／ＭｇＯ膜（厚さ１．０ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ膜（厚さ５ｎｍ）／ＩｒＭｎ膜（厚さ１０ｎｍ）／Ｒｕ膜（厚さ５ｎｍ）／Ｔａ膜（厚さ５０ｎｍ）の積層膜をこの順で堆積する。なお、上記のＰｄ層が、第１及び第２挿入層３０及び４０となる。

この後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により、絶縁膜９の上面に堆積された積層膜を除去して平坦化する。そして、さらに、ＳｉＯ_２絶縁膜を形成し、ビアを形成した後に、第１及び第２電極１０及び２０、並びにゲート電極８と接続される配線を形成し、図１６（ａ）及び（ｂ）に例示したスピントランジスタ１３１が作製される。

スピントランジスタ１３１のゲート電極８に電圧を印加し、オン状態としてトランジスタ特性を調べた。ゲート電圧を０〜２Ｖの範囲で変化させたところ、ソース−ドレイン間電流（第１電極１０と第２電極２０との間の電流）は、４．１桁変化し、良好なトランジスタ特性を示すことが明らかになった。そして、スピントランジスタ１３１は増幅機能を有す。

なお、上記のスピントランジスタ１３１において、第１及び第２挿入層３０及び４０として、Ｐｄの他に、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐを含むＧｅ、及び、Ｂを含むＧｅ、を用いても良好なトランジスタ特性を示すことが明らかになった。

（第２の実施の形態）
図１８は、本発明の第２の実施形態に係るスピントランジスタの構成を例示する模式図である。
すなわち、同図（ｂ）は平面図であり、同図（ａ）は同図（ｂ）のＡ−Ａ’線断面図である。
図１８（ａ）、（ｂ）に表したように、本発明の第２の実施形態に係るスピントランジスタ２１０は、基板５と、基板５の主面５ａの上に設けられ、強磁性体を含む第１の層を有する第１電極１０と、第１電極１０の上に設けられ、強磁性体を含む第２の層を有する第２電極２０と、第１電極１０と第２電極２０との間に設けられ、六員環ネットワーク構造を有する炭素材料からなるチャネル層７と、チャネル層７の側面に対向して設けられたゲート電極８と、を備える。本具体体例では、ゲート電極８は、チャネル層７の周囲に設けられ、チャネル層７の周りを取り囲むような環状の形状を有している。

すなわち、スピントランジスタ２１０は、チャネル長方向が基板の主面に対して垂直である縦型のスピントランジスタである。

そして、スピントランジスタ２１０においても、チャネル層７と第１電極１０との間に第１挿入層３０設けられ、チャネル層７と第２電極２０との間に第２挿入層４０が設けられる。

第１及び第２挿入層３０及び４０は、Ｐを含むＧｅ、Ｂを含むＧｅ、Ｐｄ、Ｃｏ及びＲｈよりなる群から選択された少なくともいずれかを含む。この場合には、チャネル層７はｐ型となる。
一方、第１及び第２挿入層３０及び４０は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａよりなる群から選択されたいずれか１つ、またはいずれかを含む化合物を含む。この場合には、チャネル層７はｎ型となる。

これにより、第１の実施形態で説明したのと同様に、強磁性体からなるソース・ドレインと有機チャネルとの間の界面抵抗が低く、良好なトランジスタ動作を実現するスピントランジスタを提供することができる。

このような縦型の構造において、第１の実施形態で説明した構成及び材料が適用できる。例えば、チャネル層７とゲート電極８との間には、ゲート絶縁膜を設けることができる。また、ショットキー障壁を形成できる場合には、ゲート絶縁膜は省略できる。

また、第１及び第２電極１０及び２０のそれぞれは、第１及び第２の層１１及び２１を有し、第１及び第２の層１１及び２１の少なくともいずれかは、ＭＴＪ構造を有することができる。

そして、第１及び第２の層１１及び２１とで、膜面の面積及び平面形状の少なくともいずれかを変えることができる。

また、第１及び第２の層１１及び２１には、垂直磁化膜を用いても良く、面内磁化膜を用いても良い。そして、垂直磁化膜を用いた場合には、第１及び第２挿入層３０及び４０は、Ｐｄ、Ｃｏ及びＲｈよりなる群から選択されたいずれか１つ、またはいずれか２つ以上を含む合金からなることが望ましい。また、面内磁化膜を用いる場合には、第１及び第２挿入層３０及び４０は、Ｐを含むＧｅ、Ｂを含むＧｅ、Ｃｏ、及びＣｏを含む合金よりなる群から選択されたいずれかからなることが望ましい。

また、第１及び第２の層１１及び２１は、シンセティック構造を有することができ、また、第３強磁性体膜／非磁性金属膜／第４強磁性体膜の積層構造を適用することができる。なお、この非磁性金属膜には、Ｒｕ、Ｒｈ及びＩｒのいずれかからなる単層、または、その積層体を含む膜が用いられる。

なお、縦型のスピントランジスタ２１０においては、第１電極１０と第２電極２０とが、異なる層として設けられるため、第１の層１１及び第２の層２１とで、膜構成や用いられる材料を変えることが容易であり、これによって、第１の層１１及び第２の層２１におけるスピンの反転のし易さを制御し易くできる。

また、縦型のスピントランジスタ２１０においては、チャネル層７において、例えば、パルス励起型リモートプラズマＣＶＤ装置を用いることによりカーボンナノチューブの延在方向を主面５ａに垂直方向に配列させることが容易であり、また、グラフェンなどの有機物チャネル層を均一に成長させることが容易となるので好ましい。

また、スピントランジスタ２１０において、基板５は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）及びＧＯＩ（Ge on Insulator)の少なくともいずれかを有することができる。すなわち、特に、縦型の構造を用いた場合、基板５にＳＯＩやＧＯＩを有する基板を用いることで、基板リークが抑制され、より好ましい。

（第２の実施例）
図１９は、本発明の第２の実施例に係るスピントランジスタの構成を例示する模式的断面図である。
図１９に表したように、本発明の第２の実施形態の第２の実施例に係るスピントランジスタ２２１は、縦型のスピントランジスタである。
すなわち、（００１）Ｓｉからなる基板５の主面５ａにおいて、埋め込み酸化膜（ＢＯＸ膜）６ａが設けられ、その上に、ＧＯＩ（Ge on Insulator)層からなる半導体層６ｂ及び層間絶縁膜６ｃが設けられている。半導体層６ｂによって、スピントランジスタ２２１の周辺回路が形成され、スピントランジスタ２２１を制御し、駆動することができる。

そして、本具体例では、半導体層６ｂの上に、磁性体ＦｅＰｄ層からなる下地電極１０ｕ及び、その上に設けられたホイスラー合金Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_０．５Ｓｉ_０．５膜からなる第１の層１１が設けられている。第１電極１０は、下地電極１０ｕ及び第１の層１１を含み、本具体例では、第１の層１１はフリー層として機能する。

そして、第１の層１１の上に、Ｐを有するＧｅを含む第１挿入層３０が設けられている。なお、本具体例では、Ｐを有するＧｅを含む層の上に、極薄のＣｏ層（例えば厚さ０．５ｎｍ）が設けられており、第１挿入層３０は、このＰを有するＧｅを含む層と、極薄のＣｏ層と、を含む。

そして、その上にカーボンナノチューブからなるチャネル層７が設けられている。なお、チャネル層７にはグラファイトを用いても良い。

チャネル層７の上には、Ｐを有するＧｅを含む第２挿入層４０が設けられている。

第２挿入層４０の上には、ホイスラー合金Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_０．５Ｓｉ_０．５／ＦｅＰｄ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ／ＦｅＰｔよりなるＭＴＪ構造を有する第２電極２０が設けられている。なお、上記のＭｇＯ膜が、トンネル障壁膜２１ｂとなる。

そして、チャネル層７の側面に対向してゲート電極８が設けられている。ゲート電極８は、主面５ａに対して垂直なｚ方向からみたとき、チャネル層７を囲むように、例えば環状の形状を有している。なお、本具体例では、ゲート絶縁膜８ｉが設けられているが、例えばゲート電極８とチャネル層７との間でショットキー障壁構造が形成されればゲート絶縁膜８ｉは省略することができる。

そして、下地電極１０ｕに第１端子１０ｔが設けられ、第２電極１０に第２端子２０ｔが設けられ、ゲート電極８にはゲート端子８ｔが設けられている。

スピントランジスタ２２１においては、ソース・ドレインのいずれかとなる第２の層２１にＭＴＪ構造が適用されているため、スピン注入磁化反転書き込みが可能な構造となっている。なお、第１の層１１にＭＴＪ構造を適用しても良い。さらに、前述したように、本縦型構造は、パルス励起型リモートプラズマＣＶＤ装置を用いることによりカーボンナノチューブ、グラフェンなどの有機物チャネル層を製造レベルで均一に成長可能なことからより好ましい構造となる。

スピントランジスタ２２１は、例えば以下のようにして製造される。
まず、例えば厚さ２０ｎｍのＳＯＩ膜を有する基板５の主面５ａの上に、例えば、ＵＨＶ−ＣＶＤ法によって、厚さ１５０のＳｉ_０．９Ｇｅ_０．１膜、及び、厚さ５ｎｍのＳｉキャップ膜を形成する。なお、上記の膜の形成には、上記の他、ＭＢＥ法やＬＰ−ＣＶＤ法を用いても良い。なお、上記の各膜厚は成長温度における臨界膜厚を下回っているため、転位は生じない。

次に、この基板５を酸化炉に入れ、例えば窒素で５０％に希釈した酸素ガスを用いて、例えば１０００℃の温度で処理し、ＳｉＧｅ層の厚さが２５ｎｍになるまで酸化する。この酸化により、埋め込み酸化膜（下層）と熱酸化膜（上層）に挟まれた結晶層でＧｅ原子は十分に拡散するが酸化膜を透過できないため、熱酸化の進行にともない、結晶層の厚さが薄くなるとともにＧｅ濃度は７０％まで濃縮される。

ここで、酸化温度はＧｅ濃度が濃縮されたＳｉＧｅの融点を超えないように設定される。本具体例のように、Ｇｅ濃度７０％のＳｉＧｅ層を得るためには、最終的な酸化温度は例えば１０２５℃以下に設定される。酸化時間を短縮するためには、ＳｉＧｅ層中のＧｅ濃度に応じた融点を超えない範囲で、始めは温度を高く設定し、徐々に、あるいは段階的に温度を下げていくのが有効である。

次に、表面洗浄の後、スパッタ法にて、磁性体ＦｅＰｄ（厚さ２０ｎｍ）を形成し、その上に、ホイスラー合金Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_０．５Ｓｉ_０．５（厚さ４ｎｍ）積層膜／ＰをドープしたＧｅ／Ｃｏ（厚さ０．５ｎｍ）／カーボンナノチューブ（２０ｎｍ）／ＰをドープしたＧｅ／ホイスラー合金Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_０．５Ｓｉ_０．５（厚さ３ｎｍ）／ＦｅＰｄ（厚さ１０ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（厚２．５ｎｍ）／ＭｇＯ（１．０ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（厚さ２．５ｎｍ）／ＦｅＰｔ（厚さ２０ｎｍ）／Ｒｕ（厚さ０．９ｎｍ）／ＦｅＰｔ（厚さ３０ｎｍ）／Ｔａ（厚さ１００ｎｍ）の積層膜を形成する。なお、上記の積層膜の形成方法には、図２に例示した方法を採用できる。すなわち、例えばＳｉＯ_２絶縁膜９にビアを設けその内部に積層膜を形成する。

そして、チャネル層７の側面以外の部分の絶縁膜９を削る。チャネル層７の側面の部分の絶縁膜９がゲート絶縁膜８ｉとなる。

そして、ゲート電極８となる、厚さ２０〜２５ｎｍの多結晶Ｓｉ層を全面に堆積した後、Ｐ（リン）を５×１０^１５ｃｍ^−２のドーズ量でイオン注入し、多結晶Ｓｉ層を高濃度のｎ型層にする。ここで多結晶Ｓｉ層を堆積する際にドーパントを同時に添加し、ＣＶＤにより低抵抗のゲート電極８を作製する方法を採用しても良い。さらには、ゲート電極８には金属系の材料を用いることもできる。このゲート電極８は、縦型トランジスタ部のゲート部分を取り囲む形状となる。

その後、平坦化処理した後、ソース・ドレイン電極となる第１及び第２電極１０及び２０、並びにゲート電極８を露出させ、第１及び第２端子１０ｔ及び２０ｔ、並びにゲート端子８ｔを形成して、図１９に例示したスピントランジスタ２２１が作製される。

その後、ゲートをオン状態としてトランジスタ特性を調べた。ゲート電圧を０〜２Ｖの範囲で変化させたところ、ソース−ドレイン間電流値（第１及び第２電極１０及び２０の間の電流値）が４.５桁変化し、トランジスタ特性を示すことが明らかになった。そして、スピントランジスタ２２１は増幅機能を有す。

なお、第１及び第２挿入層３０及び４０としては、ＰをドープしたＧｅの他、ＢをドープしたＧｅ、並びに、Ｐｄ、Ｃｏ及びＲｈの少なくともいずれかを用いても良好なトランジスタ特性を示すことが明らかになった。この時、このトランジスタはｐ型のトランジスタである。また、第１及び第２挿入層３０及び４０として、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａよりなる群から選択されたいずれか１つ、または、これらのいずれかを含む化合物を含む場合に、良好なトランジスタ特性を示すことが明らかになった。この時、このトランジスタはｎ型のトランジスタである。

このように、第１及び第２挿入層３０及び４０に用いる材料を変えることによって、ｐ型とｎ型とを作り分けられることが明らかとなった。

このように、スピントランジスタ２２１によれば、強磁性体からなるソース・ドレインと有機チャネルとの間の界面抵抗が低く、良好なトランジスタ動作を実現するスピントランジスタを提供することができる。

図２０は、本発明の第２の実施例に係る別のスピントランジスタの構成を例示する模式的断面図である。
図２０に表したように、本発明の第２の実施形態の第２の実施例に係る別のスピントランジスタ２２２は、図１９に例示したスピントランジスタ２２１において、第１電極１０と第１挿入層３０との間、及び、第２電極２０と第２挿入層４０との間に、それぞれトンネル障壁層１７及び２７が設けられている。

このように、トンネル障壁層１７及び２７を用いることによって、チャネル層７を介したスピン依存伝導が大きくなり、より好ましい。
このようなトンネル障壁層を用いる構成は、上記の実施形態及び実施例のいずれに対しても適用でき、同様の効果を発揮することができる。

なお、チャネル層７の導電型は、チャネル層７の成膜条件及び成膜後の処理によっても変えることができる。例えば、チャネル層７となる膜を成膜した後に、その膜を窒素及び酸素の少なくともいずれかを含む高圧ガスで処理することにより、成膜されたｐ型の膜をｎ型に変化させることもできる。

この時、成膜後のｐ型のチャネル層７に対しては、第１及び第２挿入層３０及び４０として、ＰをドープしたＧｅ、ＢをドープしたＧｅ、Ｐｄ、Ｃｏ及びＲｈの少なくともいずれかを用いることが望ましい。そして、成膜後に高圧ガスの処理を行ったｎ型のチャネル層７に対しては、第１及び第２挿入層３０及び４０として、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａよりなる群から選択されたいずれか１つ、または、これらのいずれかを含む化合物を用いることが望ましい。これにより、界面抵抗が低く、良好なトランジスタ動作が実現できる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態は、第１及び第２の実施形態に係るスピントランジスタを用いたリコンフィギャラブルな機能を有する論理回路装置に係る。

図２１は、本発明の第３の実施形態に係る論理回路装置の構成を例示する模式図である。
図２２は、本発明の第３の実施形態に係る論理回路装置における動作を例示する模式図である。
図２３は、本発明の第３の実施形態に係る論理回路装置における演算動作を例示する模式図である。
すなわち、同図（ａ）はＡＮＤ演算動作を例示しており、同図（ｂ）はＯＲ演算動作を例示している。

図２１に表したように、本実施形態に係る論理回路装置５１０は、第１及び第２の実施形態に係るいずれかのスピントランジスタと、制御素子５５０と、を備える。本具体例では、スピントランジスタとして、既に説明したスピントランジスタ１１０が用いられる場合として説明する。

制御素子５５０は、スピントランジスタ１１０の第１電極１０及び第２電極２０の少なくともいずれかに接続される。制御素子５５０となるトランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）にも本発明の実施形態に係るトランジスタのいずれかを用いることができるし、また、任意の構成のトランジスタを用いても良い。本具体例は、制御素子５５０にも本発明の実施形態に係るいずれかのスピントランジスタが用いられる例である。

そして、スピントランジスタ１１０のゲート電極８には第２電気信号ＰＩ２（入力Ｂ）が入力される。一方、制御素子５５０には、第１電気信号ＰＩ１（入力Ａ）が入力される。本具体例では、制御素子５５０のゲート電極５５８に第１電気信号ＰＩ１（入力Ａ）が入力される。

そして、論理回路装置５１０は、第１及び第２電気信号ＰＩ１及びＰＩ２の演算結果を例えば出力部ＰＯに出力Ｖｏｕｔとして出力する。

本具体例では、論理回路装置５１０は、スピントランジスタ１１０と制御素子５５０とに接続されたインバータ５６０を備えている。ただし、インバータ５６０は省略しても良い。

本具体例では、スピントランジスタ１１０及び制御素子５５０は、供に、浮遊ゲート型のトランジスタ構造を有している。そして、スピントランジスタ１１０の浮遊ゲート８ｆと、制御素子５５０のトランジスタの浮遊ゲート５５８ｆと、は電気的に接続されている。すなわち、例えば、浮遊ゲート８ｆと同層の導電膜により、浮遊ゲート５５８ｆが形成される。

このような構成の論理回路装置５１０により、例えば、ＡＮＤ演算とＯＲ演算とがリコンフィギャラブルに実現できる。

以下では、制御素子５５０となるトランジスタがｐ型のＭＯＳＦＥＴであり、スピントランジスタ１１０がｎ型のＭＯＳＦＥＴである場合として説明する。そして、これらのトランジスタの浮遊ゲート８ｆ及び５５８ｆが共通に接続され、制御素子５５０の第１電極５５１（例えばソース）が電源Ｖｉｎｐに接続され、スピントランジスタ１１０の第１電極１０（例えばソース）が接地される。そして、制御素子５５０の第２電極５５２（例えばドレイン）とスピントランジスタ１１０の第２電極２０（例えばドレイン）が接続される。この共通に接続されたノードからの出力Ｖ１がインバータ５６０に入力され、このインバータ５６０の出力が論理回路装置５１０の出力Ｖｏｕｔとされる。
これにより、以下のように、ＡＮＤ回路及びＯＲ回路が形成される。

すなわち、図２２に表したように、浮遊ゲート８ｆ及び５５８ｆの浮遊ゲート電位Ｖｆｇが、入力Ａと入力Ｂの和の１／２の場合には、スピントランジスタ１１０における強磁性体層のスピンモーメントが平行（Ｐ）または反平行（ＡＰ）の時の出力電圧が、“１”または“０”と変化する。また、制御素子５５０がスピントランジスタで構成される場合には、強磁性体層のスピンモーメントは平行（Ｐ）となっている。

スピントランジスタ１１０の強磁性体層のスピンモーメントをＡＰ（反平行）状態とした場合及びＰ（平行）とした場合における、入力Ａ、Ｂの値に対応する、浮遊ゲート電位Ｖｆｇ、出力Ｖ１、及び、論理回路の出力Ｖｏｕｔの値が、図２３（ａ）及び（ｂ）に例示されている。

図２３（ａ）及び（ｂ）に表したように、スピントランジスタ１１０の強磁性体層のスピンモーメントが反平行の時にＡＮＤ回路、平行の時にＯＲ回路が実現される。

これにより、強磁性体層のスピンモーメントを変えてプログラムし直すことにより、論理回路装置を作り直すことなく別の機能を有する論理回路装置として構成することができ、すなわちリコンフィギャラブルな論理回路装置が実現できる。

上記では、ＡＮＤ回路及びＯＲ回路について説明したが、ＡＮＤ回路及びＯＲ回路が作製できれば、例えば、ＮＯＲ回路、排他的ＯＲ回路などの全ての論理回路を作製できる。

なお、制御素子５５０として、強磁性体層を用いないＭＯＳＦＥＴを用いた場合も、スピントランジスタ１１０の強磁性体層のスピンモーメントを平行または反平行と制御することによって、同様の結果を得ることができる。

また、上記においては、制御素子５５０はＭＯＳＦＥＴである場合について説明したが、制御素子５５０は、上記と同様の機能を有していれば他の構成の素子であっても良く、また、複数の素子から構成された電子回路としても良い。

なお、論理回路装置５１０において、ゲート電圧制御回路、センス電流を制御するセンス電流制御素子回路、書き込み電流制御回路、ドライバー及びシンカー等を備えることができる。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、スピントランジスタを構成する電極、チャネル層、絶縁層、強磁性体層、強磁性体膜、反強磁性体層、非磁性体層、トンネル障壁層などの各要素、並びに、制御素子及び論理回路装置を構成する各要素の構成、形状、サイズ、材質、配置関係などに関して、また製造方法に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述したスピントランジスタ及び論理回路装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全てのスピントランジスタ及び論理回路装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

５ 基板
５ａ 主面
６ａ 埋め込み酸化膜
６ｂ 半導体層
６ｃ 層間絶縁膜
７ チャネル層
８ ゲート電極
８ｆ 浮遊ゲート
８ｉ ゲート絶縁膜
８ｔ ゲート端子
９ 絶縁膜
９ａ、９ｂ ビア
１０ 第１電極
１０ｔ 第１端子
１０ｕ 下地電極
１１ 第１の層
１１ａ 第１強磁性体膜
１１ｂ トンネル障壁膜
１１ｃ 第２強磁性体膜
１２ａ 第３強磁性体膜
１２ｂ 非磁性金属膜
１２ｃ 第４強磁性体膜
１５ 反強磁性体層
１７ トンネル障壁層
２０ 第２電極
２０ｔ 第２端子
２１ 第２の層
２１ａ 第１強磁性体膜
２１ｂ トンネル障壁膜
２１ｃ 第２強磁性体膜
２２ａ 第３強磁性体膜
２２ｂ 非磁性金属膜
２２ｃ 第４強磁性体膜
２５ 反強磁性体層
２６ 非磁性層
２７ トンネル障壁層
３０ 第１挿入層
４０ 第２挿入層
１１０、１１１、１１２、１１３ａ、１１３ｂ、１１４ａ、１１４ｂ、１１５ａ、１１５ｂ、１１６ａ、１１６ｂ、１１７ａ、１１７ｂ、１１８ａ、１１８ｂ、１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２２、１３１、２１０、２２１、２２２ スピントランジスタ
３０５ 基板
３０６ ＢＯＸ
３０７ 半導体層
３０８ 下地電極
３０９ 絶縁層
３１０ ＴｉＮ膜
３１１ 下部挿入層
３１２ カーボンナノチューブ層
３１３ 上部挿入層
３１４ 上部電極
３３１ フリー層
３３２ 第１磁性膜
３３３ 第２磁性膜
３３４ ピン膜
３４１ フリー層
３４２ 第１磁性膜
３４３ 第２磁性膜
３４４ ピン層
５１０ 論理回路装置
５５０ 制御素子
５５１ 第１電極
５５２ 第２電極
５５８ ゲート電極
５５８ｆ 浮遊ゲート
５６０ インバータ
ＰＩ１、ＰＩ２ 第１及び第２電気信号
ＰＯ 出力部
Ｖ１ 出力
Ｖｆｇ 浮遊ゲート電位
Ｖｉｎｐ 電源
Ｖｏｕｔ 出力

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板の主面の上に設けられ、六員環ネットワーク構造を有する炭素材料からなるチャネル層と、
   前記チャネル層の上に設けられ、強磁性体を含む第１の層を有する第１電極と、
   前記チャネル層の上において、前記第１電極と離間して設けられ、強磁性体を含む第２の層を有する第２電極と、
   前記チャネル層の上において、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられたゲート電極と、
   前記チャネル層と前記第１電極との間に設けられた第１挿入層と、
   前記チャネル層と前記第２電極との間に設けられた第２挿入層と、
   を備え、
   前記第１挿入層及び前記第２挿入層は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａよりなる群から選択されたいずれか１つ、または、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａよりなる群から選択されたいずれかを含む化合物を含むことを特徴とするスピントランジスタ。
2. 基板と、
   前記基板の主面の上に設けられ、強磁性体を含む第１の層を有する第１電極と、
   前記第１電極の上に設けられ、強磁性体を含む第２の層を有する第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ、六員環ネットワーク構造を有する炭素材料からなるチャネル層と、
   前記チャネル層の側面に対向し、前記チャネル層の周りに設けられたゲート電極と、
   前記チャネル層と前記第１電極との間に設けられた第１挿入層と、
   前記チャネル層と前記第２電極との間に設けられた第２挿入層と、
   を備え、
   前記第１挿入層と前記第２挿入層は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａよりなる群から選択されたいずれか１つ、または、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａよりなる群から選択されたいずれかを含む化合物を含むことを特徴とするスピントランジスタ。
3. 前記第１の層の前記強磁性体の磁化容易軸は、前記主面に対して平行であることを特徴とする請求項１または２に記載のスピントランジスタ。
4. 基板と、
   前記基板の主面の上に設けられ、六員環ネットワーク構造を有する炭素材料からなるチャネル層と、
   前記チャネル層の上に設けられ、強磁性体を含む第１の層を有する第１電極と、
   前記チャネル層の上において、前記第１電極と離間して設けられ、強磁性体を含む第２の層を有する第２電極と、
   前記チャネル層の上において、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられたゲート電極と、
   前記チャネル層と前記第１電極との間に設けられた第１挿入層と、
   前記チャネル層と前記第２電極との間に設けられた第２挿入層と、
   を備え、
   前記第１挿入層及び前記第２挿入層は、Ｐを含むＧｅ、Ｂを含むＧｅ、Ｐｄ、及びＲｈよりなる群から選択された少なくともいずれかを含むことを特徴とするスピントランジスタ。
5. 基板と、
   前記基板の主面の上に設けられ、強磁性体を含む第１の層を有する第１電極と、
   前記第１電極の上に設けられ、強磁性体を含む第２の層を有する第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ、六員環ネットワーク構造を有する炭素材料からなるチャネル層と、
   前記チャネル層の側面に対向し、前記チャネル層の周りに設けられたゲート電極と、
   前記チャネル層と前記第１電極との間に設けられた第１挿入層と、
   前記チャネル層と前記第２電極との間に設けられた第２挿入層と、
   を備え、
   前記第１挿入層と前記第２挿入層は、Ｐを含むＧｅ、Ｂを含むＧｅ、Ｐｄ、及びＲｈよりなる群から選択された少なくともいずれかを含むことを特徴とするスピントランジスタ。
6. 前記第１の層の前記強磁性体の磁化容易軸は、前記主面に対して平行であり、
   第１挿入層は、Ｐを含むＧｅ、及び、Ｂを含むＧｅのいずれかからなることを特徴とする請求項４または５に記載のスピントランジスタ。
7. 前記第１の層の前記強磁性体の磁化容易軸は、前記主面に対して垂直であり、
   第１挿入層は、Ｐｄ、及びＲｈのいずれか、または、Ｐｄ及びＲｈを含む合金からなることを特徴とする請求項４または５に記載のスピントランジスタ。
8. 前記チャネル層は、ｐ型であることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１つに記載のスピントランジスタ。
9. 前記チャネル層は、グラファイト層、及び、前記第１電極から前記第２電極に向かう方向に対して平行な方向に延在するカーボンナノチューブの少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載のスピントランジスタ。
10. 請求項１〜９のいずれか１つに記載のスピントランジスタと、
    前記スピントランジスタの前記第１電極及び前記第２電極のいずれかと接続された制御素子と、
    を備え、
    前記制御素子に入力される第１電気信号と、前記スピントランジスタの前記ゲート電極に入力される第２電気信号と、の論理演算結果を出力することを特徴とする論理回路装置。

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