JP2008166559A - スピントランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】 実用的な電流変化率を得ることが可能なスピントランジスタを提供する。
【解決手段】 スピントランジスタ１は、強磁性体からなるソースＳと、強磁性体からなるドレインＤと、ソースＳ及びドレインＤが設けられ、ソースＳにショットキ接触した半導体ＳＭと、半導体ＳＭ上にゲート絶縁層ＧＩを介して設けられたゲート電極ＧＥとを備えたスピントランジスタ１において、半導体ＳＭとドレインＤとの間にトンネル障壁を構成するトンネル障壁絶縁層ＴＩを介在させている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スピントランジスタに関する。

近年、スピンエレクトロニクスに対する研究が注目されている。スピントランジスタは、電子のスピンを利用したトランジスタであり、新技術のイノベーションを起こすものとして期待されている。スピントランジスタは、新たな構造の記憶素子（特許文献１、特許文献２参照）や、多機能の論理回路（特許文献３参照）として利用することもでき、また、磁性体プロセスを用いて製造されることから、磁性素子の制御素子としての利用も考えられる。

特に、特許文献１においては、様々な構造のスピントランジスタが提案されており、特に、特許文献１の図１１においては、ソース及びドレインを構成する２つの強磁性金属（ＦＭ）間に、非磁性の半導体層を設け、この半導体層上に、ゲート絶縁層を介して電極を設けたスピントランジスタが開示されている。ソース及びドレインと半導体層との界面には、ショットキ接触が形成されている。

スピン偏極した電子は、ソースからショットキ障壁を通過して半導体層に注入される。半導体層に注入される電子のスピンの偏極の方向は、ソースの磁化方向に依存し、半導体層に注入されるキャリアのスピン偏極率はソースのスピン偏極率に依存する。

半導体層のチャネルを通ってドレイン内に注入される電子は、その偏極の方向に依存して散乱される。換言すれば、ソースからショットキ障壁をトンネルして半導体チャネルに注入された電子は、ドレイン側でスピン依存散乱する。ソースとドレインの磁化の向きが平行の場合には、ソース・ドレイン間の磁気抵抗は小さくなり、反平行の場合には磁気抵抗は大きくなる。
特開２００４−１１１９０４号公報 国際公開ＷＯ２００４／０７９８２７号パンフレット 国際公開ＷＯ２００４／０８６６２５号パンフレット

しかしながら、従来のスピントランジスタにおいては、半導体層とドレインとの界面電位は、磁気抵抗によって僅か数十ｍＶ程度の変化しか生じないものと予想される。したがって、ドレイン・ソース間電圧が数Ｖの場合には、ドレイン及びソースの磁化に依存して変化する電流変化率は数％以下となる。このような構造のスピントランジスタは、学術的なスピントランジスタとしては意義があるが、産業界における実用的なスピントランジスタへの応用へは更に改良の必要がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、実用的な電流変化率を得ることが可能なスピン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ランジスタは、強磁性体からなるソースと、強磁性体からなるドレインと、ソース及びドレインが設けられ、ソースにショットキ接触した半導体と、半導体上に直接又はゲート絶縁層を介して設けられたゲート電極とを備えたスピントランジスタにおいて、半導体とドレインとの間にトンネル障壁を構成するトンネル障壁絶縁層を介在させたことを特徴とする。

本発明のスピントランジスタによれば、ゲート電極に正電位を印加することにより、この正電位に対応して半導体内にｎ型のチャネルが形成されると同時に、ソースと半導体との間のショットキ接触によって形成されたポテンシャル障壁の厚みが減少し、半導体のチャネル内に流れ込む電子が増加する。なお、ソースは強磁性体からなるため、ソースから半導体内に注入された電子は、一方向の偏極スピンを有している。

ドレインの磁化の向きがソースとは逆向きの場合、この電子は、トンネル障壁絶縁層の存在によって大部分が反射され、ドレインには流れ込まない。

一方、ドレインの磁化の向きがソースと同一の場合、半導体内に注入された電子は、トンネル障壁絶縁層を通過して、ドレインに流れ込む。

ドレインの磁化の向きに応じてドレインに流れ込む電子量の変化率、すなわち、スピントランジスタの電流変化率は従来に比べて極めて大きくなる。したがって、実用的なスピントランジスタとすることが可能である。

ドレインの磁化の向きは、ドレインへのスピンの自己注入によって制御することも考えられるが、好ましくは、本発明に係るスピントランジスタは、ドレインの磁化の向きを制御する制御手段を更に備えることが好ましい。例えば、制御手段として、ドレイン近傍に、ドレインの磁化の向きに直交する方向に延在する配線を配置し、これに通電を行うと、通電の向きによってドレイン内の磁化の向きを制御することが可能である。

また、上述のトンネル障壁絶縁層は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＮｉＯ、ＣｏＦｅＯ、ＭｇＯ，ＣａＦ_２及びＺｎＯからなる群から選ばれた少なくとも１種を含むことが好ましい。

ＳｉＯ_２はＳｉの熱酸化によって高品質のものを作製することが可能であるため、好適である。また、Ａｌ_２Ｏ_３はバリア高さが高いので電子の熱励起による伝導が起こりにくいので好適である。ＮｉＯは低抵抗化が容易であるため、好適である。ＣｏＦｅＯは、低抵抗化が容易であるため、好適である。更に、ＭｇＯは、分極率をＳｉＯ_２よりも向上させることが可能であり、ＣａＦ_２はＳｉと格子定数が整合するため、ＺｎＯは、低抵抗化が容易であるため、好適である。

また、第１のタイプのスピントランジスタでは、ソースは強磁性体金属であり、半導体の導電型はｎ型であり、強磁性体金属の仕事関数φｍ、及び半導体の仕事関数φｓは、φｍ＞φｓの関係を満たしており、ソースと半導体とショットキ接触しており、ショットキ接触により形成されるポテンシャル障壁の厚みは、ゲート電極へ印加される電位に応じてトンネル効果が生じる厚み以下に減少可能であることが望ましい。

すなわち、仕事関数がφｍ＞φｓの関係を満たす場合には、ソースと半導体との間にスパイク状のポテンシャル障壁が形成される。このポテンシャル障壁により、ゲート電極に正電位（ソース・ゲート間に正電圧）を印加するまでは、平衡状態においては、ソースから半導体内には電子が流れ込みにくくなるが、ゲート電位を上昇させた場合には、印加された電位に応じて半導体のエネルギーが低下するため、スパイク状のポテンシャル障壁の厚みが減少し、トンネル効果によってソースから半導体内に電子が流れ込むことができる。

また、第２のタイプのスピントランジスタでは、ソースは強磁性体金属であり、半導体の導電型はｐ型であり、強磁性体金属の仕事関数φｍ、及び半導体の仕事関数φｓは、φｍ＜φｓの関係を満たしており、ソースと半導体とはショットキ接触しており、半導体の伝導帯の下端の電位は、ゲート電極へ印加される電位に応じて、ソースから半導体へ電子が流れるように上昇可能であることが望ましい。

すなわち、仕事関数がφｍ＜φｓの関係を満たす場合には、価電子帯の上端と金属との間には、正孔に対するポテンシャル障壁が生じる一方で、半導体の金属との界面の近傍には電子に対する緩やかなエネルギー障壁が存在するため、キャリアの移動は生じず、平衡状態においては、ソースから半導体内には電子は流れ込まない。ゲート電位を上昇させた場合には、ゲート電位の上昇に応じてゲート電極直下に電子が集まってくるが、これと共に、印加された電位に応じて上記緩やかなエネルギー障壁は低下し、換言すれば、伝導帯の下端の電位が上昇し、ソースから半導体内に電子が流れ込むことができるようになる。

本発明のスピントランジスタによれば、実用的な電流変化率を得ることができる。

以下、実施の形態に係るスピントランジスタについて説明する。なお、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。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るスピントランジスタ１の縦断面構成を示す図である。

スピントランジスタ１は、強磁性体からなるソースＳと、強磁性体からなるドレインＤと、ソースＳ及びドレインＤが設けられ、ソースＳにショットキ接触した半導体ＳＭと、半導体ＳＭ上にゲート絶縁層ＧＩを介して設けられたゲート電極ＧＥとを備えたスピントランジスタ１において、半導体ＳＭとドレインＤとの間にトンネル障壁を構成するトンネル障壁絶縁層ＴＩを介在させている。

各ソースＳ、ドレインＤ、ゲート電極ＧＥ上には、それぞれ、バイアス印加用のコンタクト層Ｓ１、Ｄ１、Ｇ１が電気的に接触して設けられている。コンタクト層Ｓ１、Ｄ１を介してソースＳとドレインＤとの間には一定電圧Ｖ_ＤＳが印加され、コンタクト層Ｓ１、Ｇ１を介してソースＳとゲート電極ＧＥとの間にはゲート電圧Ｖ_ＧＳが印加される。ゲート電圧Ｖ_ＧＳの印加の有無は、ゲート電極ＧＥとソースＳとの間に介在するスイッチＳＷ１によって決定される。

従来の半導体ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）においては、通常、キャリアの発生する方を「ソース」と定義しており、ゲート直下の半導体の導電型はソースの導電型とは異なっている。

本発明の実施形態のスピントランジスタにおいては、キャリアはスピン偏極した電子または正孔であり、半導体ＳＭの導電型に拘わらず、キャリアが半導体ＳＭに流れ込む方をソースとする。なお、ソースから注入されるのが正孔の場合には、正孔の保持するスピンとしては、抜けた電子の電子状態のスピンと反対のスピンを保持しているものとする。

同図では、ソースＳの磁化の向きＦＳは、Ｘ軸の正方向を向いており、ドレインＤの磁化の向きＦＤは、Ｘ軸の負方向を向いている。半導体ＳＭは厚み方向はＺ軸方向である。ドレインＤの近傍には、ドレインＤの磁化の向きＦＤを制御する制御手段Ｃが配置されている。本例の制御手段Ｃは、ドレインＤの磁化の向きＦＤに直交する方向（Ｙ軸方向）に延在する配線ＷをドレインＤの近傍に備えており、配線Ｗに通電を行うと、配線Ｗの長手方向を囲む方向に磁界Ｈが発生する。磁界Ｈの向きは、ドレインＤの位置においては、Ｘ軸方向の正方向又は負方向の成分を有する。この磁界ＨによってドレインＤの磁化の向きＦＤが制御される。すなわち、配線Ｗへの通電の向きによって、ドレインＤ内の磁化の向きＦＤを制御することが可能である。

配線Ｗの一端には、磁界制御用の電源Ｖ１，Ｖ２が互いに逆極性で接続されており、配線Ｗの他端と各電源Ｖ１，Ｖ２との間には、通電の有無及び通電方向の切り替えスイッチＳＷ２が接続されている。電源Ｖ１から電子ｅが配線Ｗに供給された場合、電流は逆向きに流れるが、右ねじの法則にしたがって、反時計回りの磁界Ｈが配線Ｗの周囲に発生する。一方、電源Ｖ２から電子ｅが配線Ｗに供給された場合、電流は逆向きに流れるが、右ねじの法則にしたがって、時計回りの磁界Ｈが配線Ｗの周囲に発生する。

ここで、各要素に用いることができる材料及び特記事項は以下の通りである。

なお、トンネル障壁絶縁層ＴＩは、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＮｉＯ、ＣｏＦｅＯ、ＭｇＯ,ＣａＦ_２及びＺｎＯからなる群から選ばれた少なくとも１種を含むことが好ましい。

ＳｉＯ_２はＳｉの熱酸化によって高品質のものを作製することが可能であるため、好適である。また、Ａｌ_２Ｏ_３はバリア高さが高いので電子の熱励起による伝導が起こりにくいので好適である。ＮｉＯは低抵抗化が容易であるため、好適である。ＣｏＦｅＯは、低抵抗化が容易であるため、好適である。更に、ＭｇＯは、分極率をＳｉＯ_２よりも向上させることが可能であり、ＣａＦ_２はＳｉと格子定数が整合するため、ＺｎＯは、低抵抗化が容易であるため、好適である。

また、ゲート絶縁層ＧＩとしては、酸化物の他、ＡｌＮ、ＧａＮなどの窒化物、ＣａＦ_２などのフッ化物も用いることが可能である。

次に、上述のスピントランジスタ１の動作について説明する。

図２は、図１に示したスピントランジスタ１のゲート電極ＧＥ直下の半導体ＳＭ及びこれに隣接するソースＳ及びドレインＤのエネルギーバンド図である。同図では、半導体ＳＭの導電型がｎ型であって、図１のスイッチＳＷ１を切断し、ゲート電極ＧＥに電圧を印加していない場合を示している。なお、エネルギーバンド図においては、縦の正方向に大きいほどエネルギーが高く、縦の負方向に大きいほど電位が高い。

強磁性体金属のソースＳに注入された電子ｅｍは、ソースＳの磁化の向きＦＳと同じ方向（但し、電子の符号は負）の偏極スピンを有する。ソースＳと半導体ＳＭとの間のショットキ接触ＳＪによって形成されたポテンシャル障壁（空乏層）ＰＢの厚みｔは、トンネル効果が生じる厚みよりも大きく、ソースＳ内の電子ｅｍは半導体ＳＭ内には注入されない。なお、同図中のＥｃは半導体ＳＭの伝導帯の下端のエネルギー準位、Ｅｖは価電子帯の上端のエネルギー準位を示している。

図３は、スピントランジスタ１の図２と同じ箇所のエネルギーバンド図である。同図では、図１のスイッチＳＷ１を接続し、ゲート電極ＧＥに電圧を印加した場合を示している。

図１のゲート電極ＧＥに正電位を印加することにより、この正電位に対応して半導体ＳＭ内にゲート電極ＧＥの直下にｎ型のチャネルが形成されると同時に、ソースＳと半導体ＳＭとの間のショットキ接触ＳＪによって形成されたポテンシャル障壁ＰＢの厚みｔが減少し、半導体ＳＭのチャネル内に流れ込む電子ｅｓが増加する。

なお、ソースＳは強磁性体からなるため、ソースＳから半導体ＳＭ内に注入された電子ｅｓは、一方向のスピンを有している。また、磁化の向きＦＳに平行なスピンの電子の状態密度と、反平行なスピンの状態密度との比は、磁化の向きＦＳに平行な電子の数と、反平行な電子の数との比となる。

ドレインＤの磁化の向きＦＤがソースＳの磁化の向きＦＳとは逆向きの場合、この電子ｅｓは、トンネル障壁絶縁層ＴＩの存在によって大部分が反射され、ドレインＤには流れ込まない。

図４は、スピントランジスタ１の図３と同じ箇所のエネルギーバンド図である。同図では、図１のスイッチＳＷ１を接続し、ゲート電極ＧＥに電圧を印加し、且つ、スイッチＳＷ２を電源Ｖ２に接続し、時計回りの磁界Ｈを配線Ｗの周囲に発生させることで、ドレインＤの磁化の向きＦＤを反転させた状態を示している。なお、反転させた磁化の向きＦＤを元に戻すには、図１のスイッチＳＷ２を電源Ｖ１に接続すればよく、また、図２及び図３の状態においては、スイッチＳＷ２は電源Ｖ１に接続していてもよく、元の状態の磁化の向きＦＤがＸ軸方向の正方向である場合には、スイッチＳＷ２は切断状態であってもよい。

図４に示す状態の場合、ドレインＤの磁化の向きＦＤがソースＳと磁化の向きＦＳと同一となるため、半導体ＳＭ内に注入された電子ｅｓは、トンネル障壁絶縁層ＴＩを通過して、ドレインＤに流れ込む。

なお、ドレインＤを構成する強磁性体とは、自発磁化を有するものであり、外部磁場が存在しないときにおいても磁気モーメントを有するものである。磁気モーメントの方向に平行なスピンを持つ電子の状態と、反平行なスピンを持つ電子の状態では、エネルギーが異なる。そのため、金属のフェルミ面の状態密度が電子のスピンの向きによって異なる。スピン磁気モーメントが自発磁化に平行な方向にある電子状態のフェルミ面での状態密度の方が、スピン磁気モーメントが自発磁化に反平行な方向にある電子状態のフェルミ面での状態密度よりも大きければ、その強磁性体のスピン分極率は正である。伝導する電子の数は、金属のフェルミ面での状態密度に比例するのでスピンの向きによって伝導する電子の数が異なることになる。

また、半導体ＳＭからドレインＤに電子が流れ込む場合には、ＴＭＲ効果が生じている。すなわち、電子がトンネル障壁をトンネルして強磁性体のドレインＤに移動するときにおいては、電子のスピンの方向と、強磁性体の磁化の方向ＦＤとの相対方向に依存して、電子がトンネル障壁をトンネルする確率が変化する。これにより、電流変化が生じて抵抗変化が生じる。この際の抵抗変化率は、電子のスピン磁気モーメントがドレインＤを構成する強磁性体内の電子のフェルミ面における強磁性体の磁化方向と平行な状態の状態密度と、反平行な状態の状態密度の比に依存して決定される。

上述の構造のスピントランジスタ１においては、ドレインＤの磁化の向きＦＤに応じてドレインＤに流れ込む電子量の変化率、すなわち、スピントランジスタ１の電流変化率は従来に比べて極めて大きくなる。したがって、実用的なスピントランジスタとすることが可能である。

以上のように、上述のスピントランジスタ１では、ソースＳは強磁性体金属であり、半導体ＳＭの導電型はｎ型であり、この強磁性体金属の仕事関数φｍ、及び半導体ＳＭの仕事関数φｓは、φｍ＞φｓの関係を満たしている。

すなわち、ソースＳと半導体ＳＭとはショットキ接触ＳＪを形成しており、ショットキ接触ＳＪにより形成されるポテンシャル障壁ＰＢの厚みｔは、ゲート電極ＧＥへ印加される電位に応じてトンネル効果が生じる厚み以下に減少可能である。

仕事関数がφｍ＞φｓの関係を満たす場合には、ソースＳと半導体ＳＭとの間にスパイク状のポテンシャル障壁ＰＢが形成される。このポテンシャル障壁ＰＢにより、ゲート電極ＧＥに正電位（ソース・ゲート間に正電圧）を印加するまでは、平衡状態においては（図２）、ソースＳから半導体ＳＭ内には電子ｅｍが流れ込みにくくなるが、ゲート電位を上昇させた場合には（図３、図４）、印加された電位に応じて半導体ＳＭのエネルギーが低下するため、スパイク状のポテンシャル障壁ＰＢの厚みｔが減少し、トンネル効果によってソースＳから半導体ＳＭ内に電子ｅｍが流れ込むことができる。

なお、ドレインＤの磁化の向きＦＤは、ソースからドレインへのスピンの自己注入によって制御することも考えられる。

また、図２〜図４を参照すると、ドレインＤを構成する金属のフェルミ準位Ｅ_Ｆと、これに隣接する半導体ＳＭの伝導帯Ｅ_Ｃの下端との間には、電位差φ_Ｄが存在している。ゲート電圧の印加により、半導体ＳＭのエネルギーバンドが曲がる結果、ポテンシャル障壁ＰＢが薄くなるので、電子ｅｍがソースＳから半導体の伝導帯にトンネルするようになり、スピントランジスタ１に電流が流れる。ドレインＤでは、拡散伝導または、全く散乱が無い理想的な場合にはバリスティック伝導により、半導体ＳＭからドレインＤに電子ｅｓが移動し、この結果としてドレインＤと半導体ＳＭとの界面での電位差φ_Ｄが定まる。

ソースＳとドレインＤの磁化方向ＦＳ，ＦＤが平行である場合（図４）、これらが反平行な場合（図２、図３）と比較して、ドレイン界面での電位差φ_Ｄが小さくなるが、その差は半導体ＳＭとドレインＤ間の伝導が拡散伝導である場合、ドレインＤでのスピン蓄積電位程度であり、半導体ＳＭとドレインＤ間の伝導が熱放出伝導である場合には、室温の熱エネルギー程度である。

上述のトンネル障壁絶縁層ＴＩが存在しない場合、強磁性体の蓄積電位は、強磁性体が強磁性半導体であるか完全なハーフメタルである場合のいずれかでない限り、数ｍＶ程度であり、半導体ＳＭとドレインＤ間の伝導が熱放出伝導である場合には、室温の熱エネルギーが数十mEV程度なので、ソースＳ−ドレインＤの磁化方向の相対的な変化によるドレイン界面での電位差の変化（減少）もせいぜい数十ｍＶ程度である。これは、ソースＳ−ドレインＤ間に通常加えられる数Ｖという電圧に対して僅かであるので、ソースＳ−ドレインＤ間の半導体内部電界の変化（増加）は僅かである。その結果として、ソースＳ−ドレインＤの磁化方向が反平行な場合に対しての電流の変化（増加）も僅かなものとなる。

一方、本実施形態では、トンネル障壁絶縁層ＴＩが存在するため、電流変化率は大きくなる。すなわち、半導体ＳＭとドレインＤの間の伝導がトンネル伝導であれば、そのトンネル確率は、キャリアのスピンの方向とドレインＤの磁化方向との相対方向に強く依存するため、大きな電流変化が期待出来る。ドレインＤと半導体ＳＭとの界面に印加される電圧（＝数百ｍＶ）は、半導体ＳＭ−ドレインＤ界面において拡散伝導で生じる電位差φ_Ｄ（数十ｍＶ）よりもずっと大きくなるものと期待される。ソースＳ−ドレインＤ間電圧を１Ｖ程度とすれば、磁化の向きＦＤの制御によって、１Ｖに対して無視が出来ない大きさの半導体ＳＭ−ドレインＤ間電圧の変化、すなわち、トランジスタを流れる電流の変化が生じる。

また、電位差φＤが小さくなることにより、ポテンシャル障壁ＰＢの厚みｔが更に薄くなり、電子ｅｍの半導体ＳＭへの注入確率が更に増加している。

次に、半導体ＳＭの導電型がｐ型である場合について説明する。この場合のスピントランジスタ１の構造は図１に示したものと同一である。

図５は、図１に示したスピントランジスタ１のゲート電極ＧＥ直下の半導体ＳＭ及びこれに隣接するソースＳ及びドレインＤのエネルギーバンド図である。同図では、半導体ＳＭの導電型がｐ型であって、図１のスイッチＳＷ１を切断し、ゲート電極ＧＥに電圧を印加していない場合を示している。

ソースＳと半導体ＳＭと界面はショットキ接触ＳＪを形成しており、ゲート電圧を印加しないときには、半導体ＳＭ内の正孔はソースＳ及びドレインＤのいずれにも注入されず、ソースＳ内の電子ｅｍは、半導体ＳＭのエネルギーバンドの曲がりの山を越えられないため、半導体ＳＭ内には注入されない。

図６は、スピントランジスタ１の図５と同じ箇所のエネルギーバンド図である。同図では、図１のスイッチＳＷ１を接続し、ゲート電極ＧＥに電圧を印加した場合を示している。

図１のゲート電極ＧＥに正電位を印加することにより、この正電位に対応して半導体ＳＭ内にゲート電極ＧＥの直下にｎ型のチャネルが形成されると同時に、半導体ＳＭのエネルギーバンドの山の高さ（エネルギー）が低下し、ソースＳ内の電子ｅｍは、半導体ＳＭ内には注入される。ソースＳは強磁性体からなるため、ソースＳから半導体ＳＭ内に注入された電子ｅｓは、一方向のスピンを有している。

ドレインＤの磁化の向きＦＤが、ソースＳの磁化の向きＦＳとは逆向きの場合、この電子ｅｓは、トンネル障壁絶縁層ＴＩの存在によって大部分が反射され、ドレインＤには流れ込まない。

図７は、スピントランジスタ１の図５と同じ箇所のエネルギーバンド図である。同図では、図１のスイッチＳＷ１を接続し、ゲート電極ＧＥに電圧を印加し、且つ、スイッチＳＷを電源Ｖ２に接続し、時計回りの磁界Ｈを配線Ｗの周囲に発生させることで、ドレインＤの磁化の向きＦＤを反転させた状態を示している。なお、反転させた磁化の向きＦＤを元に戻すには、スイッチＳＷ２を電源Ｖ１に接続すればよく、また、図５及び図６の状態においては、スイッチＳＷ２は電源Ｖ１に接続していてもよく、元の状態の磁化の向きＦＤがＸ軸方向の正方向である場合には、スイッチＳＷ２は切断状態であってもよい。

図７に示す状態の場合、ドレインＤの磁化の向きＦＤがソースＳと磁化の向きＦＳと同一となるため、半導体ＳＭの反転チャネル内に注入された電子ｅｓは、トンネル障壁絶縁層ＴＩを通過して、ドレインＤに流れ込む。なお、ドレイン界面に生じる電位差φ_Ｄは、ドレインＤの磁化の向きＦＤがソースＳの磁化の向きＦＳと平行の場合には、反平行の場合よりも小さい。

以上のように、半導体ＳＭの導電型がｐ型のスピントランジスタ１では、ソースＳは強磁性体金属であり、ソースＳを構成する強磁性体金属の仕事関数φｍ、及び半導体ＳＭの仕事関数φｓは、φｍ＜φｓの関係を満たしており、ソースＳと半導体ＳＭとはショットキ接触しており、半導体ＳＭの伝導帯の下端の電位は、ゲート電極ＧＥへ印加される電位に応じて、ソースＳから半導体ＳＭへ電子が流れるように上昇可能である。

仕事関数がφｍ＜φｓの関係を満たす場合には、価電子帯の上端Ｅｖと金属との間には、正孔に対するポテンシャル障壁ＰＢが生じる一方で、半導体ＳＭの金属との界面の近傍には電子ｅｍに対する緩やかなエネルギー障壁ＥＰが存在するため（図５参照）、キャリアの移動は生じず、平衡状態においては、ソースＳから半導体ＳＭ内には電子は流れ込まない。ゲート電位を上昇させた場合には、ゲート電位の上昇に応じてゲート電極ＧＥの直下に電子が集まってくるが、これと共に、印加された電位に応じて緩やかなエネルギー障壁ＥＰは低下し、換言すれば、伝導帯Ｅｃの下端の電位が上昇し、ソースＳから半導体ＳＭ内に電子ｅｍが流れ込むことができるようになる。
（第２実施形態）
図８は、第２実施形態に係るスピントランジスタの縦断面構成を示す図である。

同図に示すように、ゲート電極ＧＥは半導体ＳＭ上に直接設けられていてもよい。本実施形態のスピントランジスタは、図１のものとかかる点で異なる。また、伝導チャネルはゲートの直下のみｎ型であり、ゲート電圧が印加されない場合にはソースドレイン電流が流れる。ゲートに負の電圧を印加することで、ｎ型の領域が反転し、消失することでソース‐ドレイン間電流が遮断される。なお、ゲート電極ＧＥと半導体ＳＭとはショットキ接触している。この場合、スピントランジスタは、ＭＥＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）構造を有することになる。半導体ＳＭがＳｉである場合、Ｓｉとショットキ接触をする材料としては、Ａｌ，Ｍｏ，Ｐｔ，Ｗ，ＴｉＳｉ_２，ＷＳｉ_２、Ａｕなどが知られている。半導体ＳＭが化合物半導体である場合、例えば、ＧａＮである場合には、ＧａＮとショットキ接触をする材料としては、Ｔｉ／Ａｕ、Ａｕ、Ｔｉなどを用いることができる。半導体ＳＭがダイヤモンドである場合、ショットキ接触をする材料としてはＡｌ，Ａｕを用いることができる。また、上述の例では、スピン偏極した電子が半導体ＳＭ内に注入されているが、これは、ソース及びドレインの材料を例えばCo、CoFe、Ｎｉなどとして、前記の実施例でのそれぞれの半導体ＳＭの伝導型を逆にし、印可する電圧の極性を逆にすれば、偏極した正孔を半導体ＳＭ内に注入することもできる。

本発明は、スピントランジスタに利用することができる。

第１実施形態に係るスピントランジスタ１の縦断面構成を示す図である。 スピントランジスタのエネルギーバンド図である。 スピントランジスタのエネルギーバンド図である。 スピントランジスタのエネルギーバンド図である。 スピントランジスタのエネルギーバンド図である。 スピントランジスタのエネルギーバンド図である。 スピントランジスタのエネルギーバンド図である。 第２実施形態に係るスピントランジスタ１の縦断面構成を示す図である。

符号の説明

１・・・スピントランジスタ、Ｃ・・・制御手段、Ｓ・・・ソース、Ｄ・・・ドレイン、Ｅ_Ｆ・・・フェルミ準位、ＥＰ・・・エネルギー障壁、ＦＳ，ＦＤ・・・磁化方向、ＧＥ・・・ゲート電極、ＧＩ・・・ゲート絶縁層、Ｈ・・・磁界、ＰＢ・・・ポテンシャル障壁、ＳＪ・・・ショットキ接触、ＳＭ・・・半導体、ＳＷ１・・・スイッチ、ＳＷ２・・・スイッチ、ＴＩ・・・トンネル障壁絶縁層、Ｖ１，Ｖ２・・・電源、Ｗ・・・配線。

Claims (5)

1. 強磁性体からなるソースと、
   強磁性体からなるドレインと、
   前記ソース及び前記ドレインが設けられ、前記ソースにショットキ接触した半導体と、
   前記半導体上に直接又はゲート絶縁層を介して設けられたゲート電極と、
   を備えたスピントランジスタにおいて、
   前記半導体と前記ドレインとの間にトンネル障壁を構成するトンネル障壁絶縁層を介在させたことを特徴とするスピントランジスタ。
2. 前記トンネル障壁絶縁層は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＮｉＯ、ＣｏＦｅＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ_２及びＺｎＯからなる群から選ばれた少なくとも１種を含む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. 前記ソースは強磁性体金属であり、
   前記半導体の導電型はｎ型であり、
   前記強磁性体金属の仕事関数φｍ、及び前記半導体の仕事関数φｓは、
   φｍ＞φｓ
   の関係を満たしており、
   前記ソースと前記半導体とショットキ接触しており、前記ショットキ接触により形成されるポテンシャル障壁の厚みは、前記ゲート電極へ印加される電位に応じてトンネル効果が生じる厚み以下に減少可能であることを特徴とする請求項１又２に記載のスピントランジスタ。
4. 前記ソースは強磁性体金属であり、
   前記半導体の導電型はｐ型であり、
   前記強磁性体金属の仕事関数φｍ、及び前記半導体の仕事関数φｓは、
   φｍ＜φｓ
   の関係を満たしており、
   前記ソースと前記半導体はショットキ接触しており、前記半導体の伝導帯の下端の電位は、前記ゲート電極へ印加される電位に応じて、前記ソースから前記半導体へ電子が流れるように上昇可能であることを特徴とする請求項１又２に記載のスピントランジスタ。
5. 前記ドレインの磁化の向きを制御する制御手段を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のスピントランジスタ。

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