JPH0794759A - 単一電子トンネリング素子 - Google Patents
単一電子トンネリング素子Info
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Abstract
第2の電極3,4に対してそれぞれ単一電子トンネル接
合6を介して接続され、電子スピンの方向が揃った第3
の電極5と、この第3の電極5に対して絶縁膜8を介し
て接続され、該第3の電極5及び絶縁膜9とともにキャ
パシタを構成する第4の電極10とを具備したことを特
徴とする単一電子トンネリング素子。 【効果】本発明によって、電子がトンネルする際に電子
のスピンの自由度に対する情報も含んだ形で、電流一電
圧特性を引き出す事が可能になり、電子一個から究極の
情報を取り出し、更にその特性を用いて多種類の演算を
可能にする基本素子を提供することができる。
Description
子に関する。
ンネル現象の理解に伴い極微細のトンネル接合を作製
し、クーロン・ブロッケードと呼ばれる現象が実験的に
観測され始めている。それは、接合のキャパシタンスが
極めて小さくなると一個の電子をトンネル接合が蓄えて
いるか、そうでないかで静電エネルギーに差が現れ、そ
の大きさはエネルギーの尺度で言えば、e2 /2Cとな
る。ここでeは電気素量で1.6×10-19 Cであり、
Cは接合容量である。ここでCが極めて小さくなると、
上記エネルギーは急激に大きくなり実験で観測されるよ
うになる。この様な微小接合の特徴を生かして、機能素
子を作ろうという試みが最近、活発に提案され研究され
ている。(”Single-Electron Tunneling and Mesoscop
oc Device ”、H.Koch and H.Lubbig ed. Springer-Ver
lag(1992) )。一般的には、微小トンネル接合が二個直
列に接続され、その中間電極にキャパシタが静電的に接
続されている構造が提案されている(図2)。この構造
においては、動作原理が先に述べたクーロン・ブロッケ
ードに基づいているので、例えば通常のMOSFETよ
りも多彩な特性を示す利点がある。しかしながら、上記
構造の各トンネル接合の特性は、その両端にかかる電位
差によるので、中間電極の電子の個数、あるいは分布に
よって二つの接合を流れる電流ー電圧特性は決められて
しまう。その結果として、上記素子ユニットは従来の絶
縁ゲート型電界効果トランジスタに似ており、上記した
多彩な特性を十分活かしていたとは言えなかった。
来装置の欠点を改良したもので、電子のスピンの自由度
をも特性の一つに含む一電子トンネル接合トランジスタ
を提供することを目的とする。
るために本発明は、第1及び第2の電極と、これら第1
及び第2の電極に対してそれぞれ単一電子トンネル接合
を介して接続され、電子スピンの方向が揃った第3の電
極と、この第3の電極に対して絶縁膜を介して接続さ
れ、該第3の電極及び絶縁膜とともにキャパシタを構成
する第4の電極とを具備したことを特徴とする単一電子
トンネリング素子を提供する。
第1及び第2の電極と、これら第1及び第2の電極に対
してそれぞれ単一電子トンネル接合を介して接続された
第3の電極と、この第3の電極に対して絶縁膜を介して
接続され、該第3の電極及び絶縁膜とともにキャパシタ
を構成する第4の電極とを具備したことを特徴とする単
一電子トンネリング素子を提供する。
電子トンネル素子においては、一電子のトンネルによる
クーロンエネルギーの増加が一電子トンネル素子を作成
した時の特性を決めてしまい、電子の持つもう一つの自
由度であるスピンに関してはまったく依存しない。しか
しながら、本発明では中間電極を電子スピンの方向が揃
った、例えば、導電性の強磁性体からなる電極とするの
で、一方の電極からトンネルする電子は、中間電極の強
磁性体のスピンの向きによってトンネルの容易さが変化
する。すなわち、簡単に言えばクーロンエネルギーの変
化だけを考えた時のエネルギーの変化をUc(これは単
一の接合では二つ直列に接続した場合の実効的な静電エ
ネルギーの増加を示す)とし、スピンのフリップ(例え
ば上向きスピンの下向きスピンへの変化に伴うエネルギ
ーの変化をUsとすると、一方の電極から中間電極へト
ンネルする際にUcとUsの大小関係によって、一電子
トンネルトランジスタにおけるI−V特性においてしき
い値を二つ持つような多彩な振る舞いをさせる事がで
き、その特性を用いた素子群によって機能動作をさせる
事も可能になる。
1は本発明による単一電子トンネリング素子の素子断面
図である。シリコン基板1上のシリコン酸化膜2上に素
子は形成されており、図1における電極3、4はアルミ
ニウムで構成され、中間電極5はニッケルで作成されて
おり、電極3,4と中間電極5の間の絶縁膜6はアルミ
ニウムの酸化物で構成されている。また制御電極11は
アルミニウムで構成されている。本発明は、中間電極5
がニッケルの様な強磁性体で構成されている点が特徴で
ある。図2は上記素子の回路模式図である。
示す。図3乃至図5は、その製造方法を示す工程断面図
である。なお、図4及び図5は、図3の線分AA´で切
った時の工程断面図である。まず図3に示す様にシリコ
ン基板1上に形成された200nmのシリコン酸化膜2
上にアルミニウム膜7を200nm堆積した後にアルミ
ニウム7上にレジストを形成し、このレジストを電子ビ
ームリソグラフィ技術を用いてパターニングし、その
後、R1E(反応性イオンエッチング)を用いてアルミ
ニウムを0.1ミクロン幅のアルミニウム線に加工す
る。加工後、レジストは除去する。次に図4に示す様
に、シリコン酸化膜8を20nmだけCVD法によって
堆積した後に、やはり電子ビーム露光とRIEよってア
ルミニウム線7と直角の方向に溝を掘る。この時、下地
のアルミニウムもいっしょにエッチングしてしまう。こ
の時、アルミニウムの下地となっているシリコン酸化膜
2までオーバーエッチングされても何等問題はない。続
いて切断されたアルミニウム線7の断面を500℃で熱
酸化して絶縁膜6を5nm形成した後に、中間電極とな
るニッケルをCVDを用いて30nm堆積し、上面に堆
積したニッケルをエッチングバックする事によって図5
の形状を得る。更に、シリコン酸化膜9、アルミニウム
膜10を堆積した後、通常の方法によってパターニング
して、ゲート電極11を持つ図1の形状の一電子トンネ
ルトランジスタを形成する。
のトンネル電流一ゲート電圧特性を示す。二つのしきい
値にV1,V2を持つ特性が現れる事がわかる。この現
象は以下のメカニズムによって起こる。即ち、ゲート電
圧がV1を越えると、電子スピンの方向が中間電極5中
の電子と同じ電極3,4中の電子のみが電極3,4から
電極5へトンネルし、更にゲート電圧がV2を越える
と、電子スピン方向が電極5中の電子と異なる電極3,
4中の電子も、そのスピンの方向を変え、電極3,4か
ら電極5へトンネルするようになる。
が強磁性体で中間電極(第3の電極)が通常の磁性を持
たない金属という組み合わせや、両端の電極及び中間電
極が共に強磁性体で、磁化方向が互いに異なるような組
み合わせでも良い。
および方法はその一例にすぎず、電極としては導電性の
材料であればよい。また、導電性の強磁性体としてNi
の他にFeやCoを用いることもできる。さらに、強磁
性体に限らず常磁性体や反強磁性体を用いることもでき
る。この場合、これら磁性体に磁界を印加して電子スピ
ンの方向を揃えるとともに、単一電子トンネル接合の両
側に隣接する電極中の電子スピンの方向が互いに異なる
ようにする。そのために、第1及び第2の電極が常磁性
体の時、第3の電極は強磁性体又は反強磁性体、第1及
び第2の電極が反磁性体の時、第3の電極は常磁性体又
は強磁性体とすれば良く、第1及び第2の電極の材料と
第3の電極の材料はお互いに入れ換っても良い。常磁性
体の材料として、Al、Cu、Ag、Au、等の金属材
料、反強磁性体の材料として、Cr2 O3 、MnO等を
含む導電材料が好ましい。さらにまた、リソグラフィも
電子ビーム露光法である必要はなく、通常の光リソグラ
フィと側壁残し技術の組み合わせ、あるいは位相シフト
法との組み合わせによって微細領域を形成しても良い事
は言うまでもない。その他、本発明の要旨を逸脱しない
範囲で種々変形して実施できる。
一電子のクーロンエネルギーの効果だけによる一電子ト
ランジスタの振る舞いに加えて、電子のもう一つの自由
度であるスピンをも情報量として使用する事が可能にな
り、一電子のトンネル接合通過に伴い、電子一個のチャ
ージ量の変化とスピンの変化という多大な情報量を持っ
た素子を達成する事ができる。
面図。
造方法を示す工程断面図。
におけるトンネル電流とゲート電圧との関係を示す特性
図。
Claims (4)
- 【請求項1】 第1及び第2の電極と、これら第1及び
第2の電極に対してそれぞれ単一電子トンネル接合を介
して接続され、電子スピンの方向が揃った第3の電極
と、この第3の電極に対して絶縁膜を介して接続され、
該第3の電極及び絶縁膜とともにキャパシタを構成する
第4の電極とを具備したことを特徴とする単一電子トン
ネリング素子。 - 【請求項2】 電子スピンの方向が揃った第1及び第2
の電極と、これら第1及び第2の電極に対してそれぞれ
単一電子トンネル接合を介して接続された第3の電極
と、この第3の電極に対して絶縁膜を介して接続され、
該第3の電極及び絶縁膜とともにキャパシタを構成する
第4の電極とを具備したことを特徴とする単一電子トン
ネリング素子。 - 【請求項3】 前記電子スピンの方向が揃った第3の電
極は強磁性体からなることを特徴とする請求項1又は2
記載の単一電子トンネリング素子。 - 【請求項4】 前記強磁性体はNi、Co、Feである
ことを特徴とする請求項3記載の単一電子トンネリング
素子。
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH10163421A (ja) * | 1996-11-29 | 1998-06-19 | Sanyo Electric Co Ltd | 半導体集積回路 |
DE10141341A1 (de) * | 2001-08-23 | 2003-03-13 | Siemens Ag | Elektronisches Bauelement |
KR100468818B1 (ko) * | 1997-05-26 | 2005-03-16 | 삼성전자주식회사 | 단일전자트랜지스터 |
JP2007281489A (ja) * | 1999-04-22 | 2007-10-25 | Acorn Technologies Inc | 静電的に制御されるトンネリング・トランジスタ |
-
1993
- 1993-09-22 JP JP23528893A patent/JP3436779B2/ja not_active Expired - Fee Related
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KR100468818B1 (ko) * | 1997-05-26 | 2005-03-16 | 삼성전자주식회사 | 단일전자트랜지스터 |
JP2007281489A (ja) * | 1999-04-22 | 2007-10-25 | Acorn Technologies Inc | 静電的に制御されるトンネリング・トランジスタ |
DE10141341A1 (de) * | 2001-08-23 | 2003-03-13 | Siemens Ag | Elektronisches Bauelement |
DE10141341C2 (de) * | 2001-08-23 | 2003-08-21 | Siemens Ag | Elektronisches Bauelement umfassend wenigstens einen Kondensator |
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JP3436779B2 (ja) | 2003-08-18 |
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