(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１方向に磁化された強磁性体からなるソース部と、
前記ソース部に離間して並設され、前記第１方向に磁化された強磁性体からなるドレイン部と、
前記ソース部と前記ドレイン部との間に配置され、前記ソース部及び前記ドレイン部に直接又はトンネル層を介して接合されたチャネル部と、
前記チャネル部のスピンの向きを前記第１方向に揃えるように制御するための円偏光を前記チャネル部へ照射する円偏光照射部と、
を備え、
前記ソース部及び前記ドレイン部の厚さは、前記円偏光の侵入長を超える厚さである、スピン偏極トランジスタ素子。
【請求項２】
前記チャネル部は半導体材料により形成され、前記円偏光照射部は、前記チャネル部のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーに相当する波長を有する円偏光を前記チャネル部へ照射する請求項１に記載のスピン偏極トランジスタ素子。
【請求項３】
前記チャネル部はヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）により形成される請求項２に記載のスピン偏極トランジスタ素子。
【請求項４】
前記円偏光照射部は、前記第１方向に沿った方向に円偏光を照射する請求項１〜３の何れか一項に記載のスピン偏極トランジスタ素子。
【請求項５】
基板を備え、前記ソース部と前記ドレイン部とは前記基板上に形成され、前記第１方向は基板に垂直な方向であり、前記円偏光照射部は、前記第１方向に沿った方向に円偏光を照射する請求項４に記載のスピン偏極トランジスタ素子。
【請求項６】
基板を備え、前記ソース部と前記ドレイン部とは前記基板上に形成され、前記第１方向は基板面内方向であり、前記円偏光照射部は、前記チャネル部への円偏光の侵入角度が９０度より小さい角度となるように円偏光を照射する請求項１〜３の何れか一項に記載のスピン偏極トランジスタ素子。
【請求項７】
前記チャネル部は、二次元電子ガス層を有する請求項１〜６の何れか一項に記載のスピン偏極トランジスタ素子。
【請求項８】
前記ソース部及び前記ドレイン部の厚さは、前記チャネル部の厚さよりも厚い請求項１〜７の何れか一項に記載のスピン偏極トランジスタ素子。
【請求項９】
第１方向に磁化された強磁性体からなる第１ソース部と、
前記第１ソース部に離間して並設され、前記第１方向に磁化された強磁性体からなる第１ドレイン部と、
前記第１ソース部と前記第１ドレイン部との間に配置され、前記第１ソース部及び前記第１ドレイン部に直接又はトンネル層を介して接合された第１チャネル部と、
第２方向に磁化された強磁性体からなる第２ソース部と、
前記第２ソース部に離間して並設され、前記第２方向に磁化された強磁性体からなる第２ドレイン部と、
前記第２ソース部と前記第２ドレイン部との間に配置され、前記第２ソース部及び前記第２ドレイン部に直接又はトンネル層を介して接合された第２チャネル部と、
前記第１チャネル部及び前記第２チャネル部のスピンの向きを前記第１方向に揃えるように制御するための円偏光を前記第１チャネル部及び前記第２チャネル部へ照射する円偏光照射部と、
を備え、
前記第１ソース部の厚さ及び前記第１ドレイン部の厚さ並びに前記第２ソース部の厚さ及び前記第２ドレイン部の厚さは、前記円偏光の侵入長を超える厚さである、スピン偏極トランジスタ素子。
【請求項１０】
前記第１チャネル部を構成する物質内のスピンを制御するために円偏光を照射する第１円偏光照射部と、
前記第２チャネル部を構成する物質内のスピンを制御するために円偏光を照射する第２円偏光照射部と、
を備える、請求項９に記載のスピン偏極トランジスタ素子。
【請求項１１】
前記第１ソース部及び前記第１ドレイン部の厚さは、前記第１チャネル部の厚さよりも厚く、
前記第２ソース部及び前記第２ドレイン部の厚さは、前記第２チャネル部の厚さよりも厚い請求項１０に記載のスピン偏極トランジスタ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン偏極トランジスタ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、スピン偏極トランジスタ素子として、強磁性体からなるソース及びドレインと、該ソース及び該ドレインと直接あるいはトンネル絶縁層を介して接合を成す非磁性体のチャネル層と、該チャネル層上に直接又はゲート絶縁体層を介して設けられ、チャネル層の電位を制御するゲート電極と、を備えるスピン偏極トランジスタ素子が知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照。）。特許文献１及び非特許文献１記載のトランジスタでは、ゲート電極を用いてチャネル層へ電界を印加し、チャネル層内の電子スピンを回転制御することによって、ソースとドレインとの間の電流のオン・オフを制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１８７８６１号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｓ．Ｄａｔｔａ  ａｎｄ  Ｂ．Ｄａｓ著、“Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ａｎａｌｏｇ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ”、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、１９９０年２月１２日、ｐｐ．６６５〜６６７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年のハードウェアの小型化に伴い、トランジスタについても小型化が要求されている。しかしながら、特許文献１及び非特許文献１記載のトランジスタにあっては、電圧印加用のゲート電極を配置するためのスペースをソースとドレインとの間に確保する必要があるため、ソース及びドレインの配置の自由度に制限がある。よって、結果としてトランジスタの小型化が困難となるおそれがある。本技術分野では、小型化可能な構造を有するトランジスタが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面に係るスピン偏極トランジスタ素子は、第１方向に磁化された強磁性体からなるソース部と、ソース部に離間して並設され、第１方向に磁化された強磁性体からなるドレイン部と、ソース部とドレイン部との間に配置され、ソース部及びドレイン部に直接又はトンネル層を介して接合されたチャネル部と、チャネル部のスピンの向きを第１方向に揃えるように制御するための円偏光をチャネル部へ照射する円偏光照射部と、を備え、ソース部及びドレイン部の厚さは、円偏光の侵入長を超える厚さである。
【０００７】
このように構成することで、円偏光照射部により、チャネル部に円偏光が照射され、チャネル部においてスピンが偏極した電子が励起され、チャネル部の電気抵抗が変化する。このように、円偏光を利用して非接触でスピンの向きを制御することができるため、例えば、円偏光照射のみでスピンの向きを制御することでゲート電極を不要とし、ソース部及びドレイン部の配置の自由度を向上させ、あるいは、電圧印加と円偏光照射とを併用することで、電圧を印加するための機構そのものを簡易にすることが可能となる。よって、トランジスタ素子を小型化することができ、該素子設計の自由度を向上させることが可能となる。【０００８】
一実施形態では、チャネル部は半導体材料により形成され、円偏光照射部は、チャネル部のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーに相当する波長を有する円偏光をチャネル部へ照射してもよい。このように構成することで、チャネル部に円偏光が照射されると、チャネル部を形成する半導体材料中のスピンが価電子帯から伝導帯に遷移することができる。このため、より効率的にソース部から注入された電流をドレイン部に流すことが可能となる。【０００９】
一実施形態では、チャネル部はヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）により形成されていてもよい。このように構成することで、円偏光照射部がＧａＡｓのバンドギャップエネルギーと同じか少し高いエネルギーに相当する波長を有する円偏光をチャネル部へ照射することにより、チャネル部のスピンが価電子帯から伝導帯に遷移することができる。このため、より効率的にソース部から注入された電流をドレイン部に流すことが可能となる。【００１０】
一実施形態では、円偏光照射部は、第１方向に沿った方向に円偏光を照射してもよい。一実施形態では、基板を備え、ソース部とドレイン部とは基板上に形成され、第１方向は基板に垂直な方向であり、円偏光照射部は、第１方向に沿った方向に円偏光を照射してもよい。一実施形態では、基板を備え、ソース部とドレイン部とは基板上にされ、第１方向は基板面内方向であり、円偏光照射部は、チャネル部への円偏光の侵入角度が９０度より小さい角度となるように円偏光を照射してもよい。
【００１１】
このように構成することで、円偏光を照射して、チャネル部のスピンの向きが第１方向すなわちソース部及びドレイン部の磁化方向に揃えることができるため、ソース部から注入された電流をドレイン部に流すことが可能となる。【００１２】
一実施形態では、チャネル部は、二次元電子ガス層を有していてもよい。このように構成することで、二次元電子ガスよりスピンが供給されるため、チャネル部におけるスピンの角運動量の伝搬を効率的に行うことが可能となる。【００１３】
一実施形態では、ソース部及びドレイン部の厚さは、チャネル部の厚さよりも厚くてもよい。
【００１４】
このように構成することで、ソース部及びドレイン部に光が照射された場合であっても、チャネル部のスピンのみを制御することができる。【００１５】
また、本発明の他の側面に係るスピン偏極トランジスタ素子は、第１方向に磁化された強磁性体からなる第１ソース部と、第１ソース部に離間して並設され、第１方向に磁化された強磁性体からなる第１ドレイン部と、第１ソース部と第１ドレイン部との間に配置され、第１ソース部及び第１ドレイン部に直接又はトンネル層を介して接合された第１チャネル部と、第２方向に磁化された強磁性体からなる第２ソース部と、第２ソース部に離間して並設され、第２方向に磁化された強磁性体からなる第２ドレイン部と、第２ソース部と第２ドレイン部との間に配置され、第２ソース部及び第２ドレイン部に直接又はトンネル層を介して接合された第２チャネル部と、第１チャネル部及び第２チャネル部のスピンの向きを第１方向に揃えるように制御するための円偏光を第１チャネル部及び第２チャネル部へ照射する円偏光照射部と、を備え、第１ソース部の厚さ及び第１ドレイン部の厚さ並びに第２ソース部の厚さ及び第２ドレイン部の厚さは、円偏光の侵入長を超える厚さである。
【００１６】
このように構成することで、円偏光照射部により、第１チャネル部及び第２チャネル部に円偏光が照射され、第１チャネル部及び第２チャネル部においてスピンが偏極した電子が励起され、第１チャネル部及び第２チャネル部の電気抵抗が変化する。このため、ゲート電極を用いることなく、第１ソース部及び第２ソース部から注入された電流を第１ドレイン部及び第２ドレイン部へ流すことが可能となる。よって、トランジスタ素子を小型化することができる。さらに、複数のスピン偏極トランジスタに円偏光を照射することにより、複数のスピン偏極トランジスタを一括して制御することが可能となる。【００１７】
一実施形態では、第１チャネル部を構成する物質内のスピンを制御するために円偏光を照射する第１円偏光照射部と、第２チャネル部を構成する物質内のスピンを制御するために円偏光を照射する第２円偏光照射部と、を備えていてもよい。このように構成することで、複数のスピン偏極トランジスタの一括制御と個別制御とを実現することができる。【００１８】
一実施形態では、第１ソース部及び第１ドレイン部の厚さは、第１チャネル部の厚さよりも厚く、第２ソース部及び第２ドレイン部の厚さは、第２チャネル部の厚さよりも厚くてもよい。
【００１９】
このように構成することで、ソース部及びドレイン部に光が照射された場合であっても、チャネル部のスピンのみを制御することができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明の種々の側面及び実施形態によれば、小型化可能な構造を有するトランジスタ素子を提供することがきる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子を説明する概略断面図である。
【図２】円偏光照射部によるスピン制御を説明する概略図である。
【図３】第１実施形態におけるスピン偏極トランジスタ素子がオフ状態のスピンの向きを説明する概略図である。
【図４】第１実施形態におけるスピン偏極トランジスタ素子がオン状態のスピンの向きを説明する概略図である。
【図５】第２実施形態におけるスピン偏極トランジスタ素子がオフ状態のスピンの向きを説明する概略図である。
【図６】第２実施形態におけるスピン偏極トランジスタ素子がオン状態のスピンの向きを説明する概略図である。
【図７】第３実施形態におけるスピン偏極トランジスタ素子を説明する概略図である。
【図８】第４実施形態におけるスピン偏極トランジスタ素子を説明する概略図である。
【図９】実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子の変形例を説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２３】
（第１実施形態）
本実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子は、スピン偏極を応用したトランジスタ素子であって、例えばナノスケールのスイッチング素子として好適に採用されるものである。図１は、一実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子１０を説明する概略断面図である。図１に示すように、スピン偏極トランジスタ素子１０は、例えば、ソース部１１、ドレイン部１２、チャネル部１５及び円偏光照射部５１を備えている。
【００２４】
ソース部１１は、基板１８上に形成されている。基板１８として、例えば半導体基板が用いられる。ソース部１１は、強磁性体材料により形成されている。強磁性体材料として、例えばＦｅ、Ｃｏ又はＮｉ等が用いられる。ソース部１１は、任意の第１方向に磁化され得る。第１方向は、例えば、基板面内方向（基板面に平行な任意の方向）又は基板垂直方向である。ソース部１１には、電圧印加用の端子が設けられている。ソース部１１の基板１８からの厚さは、円偏光の侵入長を超える厚さとされ、例えば数１０ｎｍ以上とされる。
【００２５】
ドレイン部１２は、基板１８上に形成されており、ソース部１１に離間して並設されている。ドレイン部１２は強磁性体材料により形成されている。強磁性体材料として、例えばＦｅ、Ｃｏ又はＮｉ等が用いられる。ドレイン部１２は、基板面内方向又は基板垂直方向（第１方向）に磁化され得る。ここでは、ドレイン部１２は、任意の第１方向に磁化され得る。第１方向は、例えば、基板面内方向又は基板垂直方向である。ソース部１１と同一方向に磁化されている。ドレイン部１２には、電圧検出用の端子が設けられている。ドレイン部１２の基板１８からの厚さは、円偏光の侵入長を超える厚さとされ、例えば数１０ｎｍ以上とされる。
【００２６】
チャネル部１５は、ソース部１１とドレイン部１２との間に配置され、ソース部１１及びドレイン部１２と直接接合されている。チャネル部１５は非磁性体材料で形成されている。非磁性体材料として、例えばＳｉもしくはヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）などの半導体材料、又は、ＡｇもしくはＣｕ等の非磁性金属が用いられる。なお、例えば、基板１８としてＧａＡｓ基板を用い、基板１８へ電子をドーピングすることにより、ＧａＡｓドープ層１４（半導体層１４）を形成した場合には、ＧａＡｓドープ層１４と基板１８との間に二次元電子ガス層１６が形成される。この場合、ＧａＡｓドープ層１４及び二次元電子ガス層１６がチャネル部１５として機能する。このように、チャネル部１５は、二層構造になっていてもよい。チャネル部１５のソース部１１とドレイン部１２との間の長さは、例えば数１０ｎｍ程度である。またチャネル部１５の基板１８からの厚さは、例えば数ｎｍ程度である。ソース部１１又はドレイン部１２の基板１８からの厚さは、チャネル部１５の基板１８からの厚さより厚ければよい。例えば、ソース部１１又はドレイン部１２の基板１８からの厚さは、チャネル部１５の基板１８からの厚さの１．０５倍〜２０倍程度としてもよい。
【００２７】
円偏光照射部５１は、円偏光を照射する機能を有する。光源として、例えば半導体ＬＥＤが用いられる。光源は、チャネル部１５の材料に応じて選択された波長を有する。例えばチャネル部１５が半導体で形成される場合には可視光〜赤外領域の波長の光源が用いられる。円偏光照射部５１は、例えば直線偏光させたレーザ光を通過させる１／４波長板を有している。あるいは、円偏光照射部５１は、例えば直線偏光させたレーザ光を通過させるポッケルスセル等の電場を印加可能な光学結晶を有している。円偏光照射部５１は、集光レンズ等のスポット幅を調整する機構を有していてもよい。また、円偏光照射部５１は、円偏光の波長や円偏光の回転方向を制御するための円偏光制御部５２に接続されていてもよい。
【００２８】
円偏光照射部５１は、チャネル部１５のスピンの向きを制御するために円偏光をチャネル部１５へ照射する。円偏光照射部５１は、第１方向すなわちソース部１１及びドレイン部１２の磁化方向に沿った方向へ円偏光を照射してもよい。チャネル部１５が半導体材料で形成されている場合には、円偏光照射部５１は、チャネル部１５のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーに相当する波長を有する円偏光をチャネル部１５に照射してもよい。
【００２９】
ここで、図２を用いて円偏光照射部５１によるスピン制御について説明する。図２は、一実施形態に係る円偏光照射部５１によるスピン制御を説明する概略図である。なお、図２では、チャネル部１５が半導体材料を用いて形成された場合の例を模式的に示している。図２の（Ａ）は、スピンの種類と円偏光の向きとの関係について、その一例を示している。また、図２の（Ａ）において、ダウンスピンＳｄは、下向きスピンを表し、アップスピンＳｕは、上向きスピンを表す。また左円偏光Ｌは反時計回りの円偏光を表し、右円偏光Ｒは時計回りの円偏光を表す。
【００３０】
図２の（Ａ）で示すように、ダウンスピンＳｄは、左円偏光Ｌが照射されると、左円偏光Ｌよりエネルギーを受けてスピンが反転し、アップスピンＳｕとなる。また一方、アップスピンＳｕは、右円偏光Ｒが照射されると、右円偏光Ｒよりエネルギーを受けてスピンが反転し、ダウンスピンＳｄとなる。このように、左円偏光Ｌと右円偏光Ｒとを使い分けることで、チャネル部１５のスピンの向きを制御することができる。また、電子は円偏光が照射されると、エネルギー状態が高くなる。このため、価電子帯の電子は、円偏光を照射されることにより、エネルギーギャップを超えて伝導帯へ遷移する。このように、円偏光の回転方向だけでなく、波長（エネルギー）を変更することで、特定のスピンの向きの電子だけを遷移させることができる。
【００３１】
なお、図２の（Ａ）で示したアップスピンＳｕ及びダウンスピンＳｄと、右円偏光Ｒ及び左円偏光Ｌとの関係は一例であって、材料や物理的特性、あるいはその他の要因により、変化する。そしてこれらスピン反転と円偏光との関係は、物質ごとに決定される選択則によって与えられるものでよい。
【００３２】
図２の（Ｂ）は、半導体で一般的にみられるバンドギャップについて、その一例を示している。図２の（Ｂ）に示すように、半導体材料のバンド構造は、一般的に、価電子帯Ｂｖと伝導帯Ｂｃとに分かれる。エネルギー軸を縦軸とし、横軸を波数又は運動量で表した場合、価電子帯Ｂｖは、伝導帯Ｂｃより低い値で示される。そして、ＧａＡｓなど、直接遷移が起こる半導体においては、価電子帯Ｂｖが高くなる波数と、伝導帯Ｂｃが低くなる波数とは、同じ波数である。価電子帯Ｂｖと伝導帯Ｂｃとのエネルギー差が、バンドギャップエネルギーＥｇである。
【００３３】
よって、チャネル部１５をＧａＡｓで形成した場合、円偏光照射部５１がＧａＡｓのバンドギャップエネルギーＥｇと同じか少し高いエネルギーに相当する波長を有する円偏光をチャネル部１５へ照射することにより、チャネル部１５のスピンが価電子帯Ｂｖから伝導帯Ｂｃに遷移する。このため、直接遷移する半導体を採用することによって、効率的にソース部１１から注入された電流をドレイン部１２に流すことが可能となる。なお、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーＥｇは、室温で１．４３ｅＶ程度となり、このエネルギーに対応する波長が選択され得る。
【００３４】
次に、スピン偏極トランジスタ素子１０のオン・オフ状態を概説する。図３は、スピン偏極トランジスタ素子１０がオフ状態のスピンの向きを説明する概略図である。図４は、スピン偏極トランジスタ素子１０がオン状態のスピンの向きを説明する概略図である。
【００３５】
図３に示すように、ソース部１１は、基板１８に対して垂直な方向（基板垂直方向）に磁化されており、磁気モーメントＳ２１を有する。同様に、ドレイン部１２は、基板１８に対して垂直な方向に磁化されており、磁気モーメントＳ２２を有する。磁気モーメントＳ２１と磁気モーメントＳ２２とは互いに平行である。チャネル部１５に円偏光が照射されていない場合、二次元電子ガス層１６内のスピンＳ０の向きはバラバラである。従って、ソース部１１からドレイン部１２へ電流が流れない（オフ状態）。
【００３６】
次に、図４に示すように、円偏光照射部５１により、円偏光をチャネル部１５の上面へ照射する。円偏光照射部５１は、基板１８に対して垂直方向に円偏光を照射する。基板垂直方向にスピンの向きを揃える場合には、基板垂直方向へ円偏光を照射する方が効率的である。円偏光照射部５１からチャネル部１５へ円偏光が照射されると、スピンＳ０は基板１８に垂直な方向に揃う。（スピンＳ２０）。すなわち、チャネル部１５のスピンの向きがソース部１１及びドレイン部１２の磁化方向に揃う。従って、ソース部１１からドレイン部１２へ電流が流れる（オン状態）。
【００３７】
なお、ソース部１１及びドレイン部１２が、円偏光の侵入長よりも十分に長い厚さを有している場合には、円偏光照射部５１は、チャネル部１５の上面のみに正確に照射する必要はなく、ソース部１１及びドレイン部１２の上面にも照射してもよい。このように、ソース部１１及びドレイン部１２の膜厚を調整することで、光の照射範囲の精度を緩和させることができる。
【００３８】
以上、第１実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子１０によれば、円偏光照射部５１により、チャネル部１５に円偏光が照射され、チャネル部１５においてスピンが偏極した電子が励起され、チャネル部１５の電気抵抗が変化する。このため、ソース部１１から注入された電流をドレイン部１２に流すことができる。また、ソース部１１及びドレイン部１２の磁化方向が基板垂直方向の場合において、円偏光照射部５１が基板垂直方向に沿った方向に円偏光を照射することで、チャネル部１５のスピンの向きを基板垂直方向に揃えることができる。このため、スピン偏極トランジスタ素子１０をオフ状態からオン状態へ切り替えることができる。このように、電流のスイッチングを、円偏光を用いて非接触で行うため、ゲート電極を素子に形成する必要がない。従って、ゲート電極のための微細加工が不要となり素子の製造が容易となるとともに、ゲート電極を形成するための領域を確保する必要がないことからソース部１１とドレイン部１２との間を狭くすることができる。例えば、１μｍ程度のゲート電極を設けるためには、ソース部１１とドレイン部１２との間隔を３μｍ程度空ける必要がある。これに対して、第１実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子１０によれば、ソース部１１とドレイン部１２との間隔を数ｎｍとすることができる。よって、トランジスタ構造を小型化することができる。さらに、円偏光のスイッチング速度がゲート変調速度にそのまま依存することから、現在のＣＯＭＳ素子と同等以上の速度で動作可能である。
【００３９】
また、チャネル部１５が半導体材料により形成されている場合、チャネル部１５に円偏光が照射されると、チャネル部１５を形成する半導体材料中のスピンが価電子帯から伝導帯に遷移することができるため、より効率的にソース部１１から注入された電流をドレイン部１２に流すことが可能となる。さらにチャネル部１５が二次元電子ガス層１６を有している場合、チャネル部１５に二次元電子ガス層１６よりスピンが供給されるため、チャネル部１５におけるスピンの角運動量の伝搬を効率的に行うことが可能となる。
【００４０】
（第２実施形態）
第２実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子１０は、第１実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子１０とほぼ同様に構成され、ソース部１１の磁化の向き、ドレイン部１２の磁化の向き、チャネル部１５を流れるスピンの向き、及び円偏光照射部５１から照射される円偏光の照射方向が相違する。以下、説明理解の容易性を考慮して、第１実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子１０と重複する説明は省略し、相違点を中心に説明する。
【００４１】
図５は、第２実施形態におけるスピン偏極トランジスタ素子がオフ状態のスピンの向きを説明する概略図である。図６は、第２実施形態におけるスピン偏極トランジスタ素子がオン状態のスピンの向きを説明する概略図である。
【００４２】
図５に示すように、ソース部１１は、基板１８の面内方向に磁化されており、磁気モーメントＳ１１を有する。また、ドレイン部１２は、基板１８の面内方向に磁化されており、磁気モーメントＳ１２を有する。磁気モーメントＳ１１と磁気モーメントＳ１２とは同一方向へ向いている。チャネル部１５に円偏光が照射されていない場合、二次元電子ガス層１６内のスピンＳ０の向きはバラバラである。従って、ソース部１１とドレイン部１２との間には電流は流れない（オフ状態）。
【００４３】
次に、円偏光が照射された場合を図６に示す。図６に示すように、円偏光照射部５１は、チャネル部１５への円偏光の侵入角度（チャネル部１５に対する入射角度であって、チャネル部１５の表面方向と平行な場合を０度とする）が９０度より小さい角度となるように円偏光を照射する。基板面内方向にスピンの向きを揃える場合には、基板面内方向へ円偏光を照射する方が効率的である。つまりソース部１１及びドレイン部が基板１８の面内方向に磁化している場合、円偏光照射部５１は、チャネル部１５への円偏光の侵入角度ができるだけ低角、好ましくは０度に近い角度となるように、基板面内方向へ円偏光を照射する方が効率的である。円偏光照射部５１からチャネル部１５へ円偏光が照射されると、スピンＳ０は、ソース部１１及びドレイン部１２を含む平面方向、言い換えれば基板１８の面内方向に揃う（スピンＳ１０）。すなわち、チャネル部１５のスピンの向きがソース部１１及びドレイン部１２の磁化方向に揃う。従って、ソース部１１とドレイン部１２との間には電流は流れる（オン状態）。
【００４４】
以上、第２実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子１０によれば、第１実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子１０と同様の作用効果を奏する。
【００４５】
（第３実施形態）
第３実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子２０は、第１実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子１０の一部構成要素を複数配列した素子である。以下、説明理解の容易性を考慮して、第１実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子１０と重複する説明は省略し、相違点を中心に説明する。
【００４６】
図７は、第３実施形態におけるスピン偏極トランジスタ素子２０を説明する概略図である。図７に示すように、スピン偏極トランジスタ素子２０は、第１実施形態又は第２実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子１０の一部構成要素を基板Ｂ０上に複数配列させた構造を有する。すなわち、スピン偏極トランジスタ素子２０は、第１実施形態又は第２実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子１０の構成要素である第１ソース部１１、第１ドレイン部１２及び第１チャネル部１５を備えている。また、スピン偏極トランジスタ素子２０は、第１実施形態又は第２実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子１０の構成要素である第２ソース部２１、第２ドレイン部２２及び第２チャネル部２５を備えている。第１ソース部１１、第１ドレイン部１２、第２ソース部２１及び第２ドレイン部２２は第１方向にそれぞれ磁化されている。
【００４７】
さらに、第１実施形態又は第２実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子１０が備える円偏光照射部５１とほぼ同様の円偏光照射部７１を備えている。本実施形態に係る円偏光照射部７１は、円偏光照射部５１と比較して、照射先（照射領域）のみが相違し、構造は同一である。また、円偏光照射部７１は、円偏光の波長や円偏光の回転方向を制御するための円偏光制御部７２に接続されていてもよい。
【００４８】
円偏光照射部７１は、第１チャネル部１５及び第２チャネル部２５のスピンの向きを制御するために円偏光を第１チャネル部１５及び第２チャネル部２５へ照射する。円偏光照射部７１は、第１方向に沿った方向に円偏光を照射してもよい。
【００４９】
以上、第３実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子２０によれば、円偏光照射部７１により、第１チャネル部１５及び第２チャネル部２５に円偏光が照射され、第１チャネル部１５内及び第２チャネル部２５内においてスピンが偏極した電子が励起され、第１チャネル部１５及び第２チャネル部２５の電気抵抗が変化する。従って、第１実施形態及び第２実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子１０と同様に、トランジスタ構造を小型化することができる。
【００５０】
また、第３実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子２０によれば、トランジスタ構成要素間で共通となる円偏光照射部７１を備え、複数のスピン偏極トランジスタに円偏光を照射することにより、複数のスピン偏極トランジスタを一括して制御することができる。
【００５１】
（第４実施形態）
第４実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子３０は、第３実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子２０とほぼ同様に構成され、各トランジスタ素子単位で円偏光照射部をさらに備える点が相違する。以下、説明理解の容易性を考慮して、第３実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子２０と重複する説明は省略し、相違点を中心に説明する。
【００５２】
図８は、第４実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子３０を説明する概略図である。図８に示すように、スピン偏極トランジスタ素子３０は、第１実施形態又は第２実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子１０を基板Ｂ０上に複数配列させた構造を有する。すなわち、スピン偏極トランジスタ素子３０は、第１実施形態又は第２実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子１０と同一の構造を有するスピン偏極トランジスタ素子１０Ａ，１０Ｂを備えている。スピン偏極トランジスタ素子１０Ａ，１０Ｂは、それぞれ第１円偏光照射部５１，第２円偏光照射部６１を備えている。第１ソース部１１、第１ドレイン部１２、第２ソース部２１及び第２ドレイン部２２は第１方向にそれぞれ磁化されている。
【００５３】
第１円偏光照射部５１は、第１チャネル部１５を構成する物質内のスピンを制御するために円偏光を照射する。第２円偏光照射部６１は、第２チャネル部２５を構成する物質内のスピンを制御するために円偏光を照射する。円偏光照射部７１は、第３実施形態に係るスピン偏極トランジスタの円偏光照射部７１と同一である。
【００５４】
以上、第４実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子３０によれば、円偏光照射部７１により、第１チャネル部１５及び第２チャネル部２５に円偏光が照射され、第１チャネル部１５内及び第２チャネル部２５内においてスピンが偏極した電子が励起され、第１チャネル部１５及び第２チャネル部２５の電気抵抗が変化する。従って、第３実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子１０と同様に、トランジスタ構造を小型化することができる。
【００５５】
また、第４実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子３０によれば、トランジスタ構成要素間で共通となる円偏光照射部７１を備え、複数のスピン偏極トランジスタに円偏光を照射することにより、複数のスピン偏極トランジスタを一括して制御することができる。
【００５６】
さらに、第４実施形態に係るスピン偏極トランジスタ素子３０によれば、トランジスタ構成要素間で独立した第１円偏光照射部５１及び第２円偏光照射部６１を備え、複数のスピン偏極トランジスタに個々に円偏光を照射することにより、複数のスピン偏極トランジスタを個別に制御することができる。
【００５７】
上述した各実施形態は、本発明に係るスピン偏極トランジスタの一例を示すものである。本発明は、各実施形態に係るスピン偏極トランジスタに限られるものではなく、変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
【００５８】
例えば、上述した実施形態では、チャネル部１５は、ソース部１１及びドレイン部１２と直接接合されているとしたが、チャネル部１５は、ソース部１１及びドレイン部１２とトンネル層などを介して接合されていてもよい。このように構成した場合であっても、スピン偏極トランジスタ素子１０を実現することが可能となる。
【００５９】
また、上述した実施形態では、円偏光照射部５１を、基板１８上に配置されるチャネル部１５の上方に配置し、基板表面側から円偏光を照射する例を説明したが、円偏光照射部５１を、基板１８裏面側に配置し、基板１８の裏面側から円偏光を照射してもよい。この際、チャネル部１５が積層された基板１８を部分エッチングにより薄くしてもよい。このように構成した場合であっても、円偏光によってチャネル部１５のスピンの向きを制御することができる。
【００６０】
また、上述した実施形態では、従来の電界効果トランジスタなどにみられるゲート電極を不要とする例を説明したが、ゲート電極をチャネル部１５上に設けるとともに、円偏光照射部５１を備える構成としてもよい。すなわち、円偏光照射部５１をゲート電極によるスピン制御のアシスト機構として動作させてもよい。アシスト機構として動作させる場合には、円偏光の効果を一層奏するために、例えば、ゲート電極を薄く形成したり、上述したように基板１８の裏面側から円偏光を照射したりしてもよい。このように構成した場合であっても、例えば円偏光を照射する領域についてはゲート電極を設ける必要がなくなるため、ソース及びドレイン間の距離を小さくして小型化することができる。また、アシスト機構を備えることでゲート電極から印加すべき電圧を低減することができるので、ゲート電圧を印加させる機構そのものを簡易にすることが可能となり、結果として素子の小型化に寄与することができる。
【００６１】
また、上述した実施形態では、円偏光照射部５１が円偏光を照射したタイミングで、ソース部１１からドレイン部１２へ電流が流れトランジスタがオン状態となる例を説明したが、円偏光照射部５１が円偏光を照射したタイミングで、トランジスタがオフ状態となるように、チャネル部１５のスピンを制御してもよい。
【００６２】
また、図７，８では、２つの素子構成要素を配列させた例を示しているが、素子構成要素を３つ以上配列させてもよい。また、基板１８，２８を共通化させて基板Ｂ０を不要としてもよい。さらに、第１ソース部１１、第１ドレイン部１２、第２ソース部２１及び第２ドレイン部２２が第１方向にそれぞれ磁化されている例を説明したが、第１ソース部１１及び第１ドレイン部１２の磁化方向（例えば第１方向）と、第２ソース部２１及び第２ドレイン部２２の磁化方向（例えば第２方向）が異なる方向であってもよい。
【００６３】
また、上述した実施形態では、１つの素子構成要素がソース部、ドレイン部及びチャネル部を備えた例を説明したが、隣接する素子構成要素のソース部とドレイン部とを１つの部材で構成してもよい。例えば、図９に示すように、第１ドレイン部１２及び第２ソース部２１を共通化させ、端子４１としてもよい。このように部材を兼用することができるため、トランジスタ素子を一層小型化することが可能となる。また、基板１８、２８を共通化させ、基板４２としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
スピン偏極トランジスタ素子１０は、産業上、以下のような利用可能性を有している。スピン偏極トランジスタ素子１０は、例えば、各産業分野における電気電子部品として使用することができる。例えば、面内スピントランジスタや縦型ナノピラー等の強磁性体／半導体ハイブリッド構造におけるゲート制御としても適用することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１０…スピン偏極トランジスタ素子、１１…ソース部、１２…ドレイン部、１４…ＧａＡｓドープ層（半導体層）、１５…チャネル部、１６…二次元電子ガス層、５１…円偏光照射部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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