(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピン偏極した電子を生成するスピン偏極部を有するソース部と、
磁性体を有するドレイン部と、
前記ソース部から前記ドレイン部に電子を導くチャネル部と、
を備え、
前記チャネル部は前記ドレイン部に向かって収束する形状を有し、前記チャネル部と前記ドレイン部との間にポイントコンタクトが設けられたことを特徴とするスピントランジスタ。
【請求項２】
スピン偏極した電子を生成するスピン偏極部を有するソース部と、
磁性体を有するドレイン部と、
前記ソース部と前記ドレイン部との間に設けられた半導体層と、
前記半導体層に電圧を印加することにより、前記ソース部から前記ドレイン部に電子を導くチャネル部を形成するゲート電極と、
を備え、
前記ゲート電極の形状にくびれ部を与えることにより前記チャネル部と前記ドレイン部との間にポイントコンタクトが形成されることを特徴とするスピントランジスタ。
【請求項３】
前記スピン偏極部は、円偏光した光の照射によりスピン偏極した電子を励起する化合物半導体からな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。
【請求項４】
前記スピン偏極部及び前記磁性体の少なくともいずれかは、一定の結晶方位に配向した鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）あるいはこれらを含有する合金からな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。
【請求項５】
前記ソース部は、トンネル接合を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のスピントランジスタ。
【請求項６】
前記スピン偏極部及び前記磁性体の少なくともいずれかは、化合物磁性半導体からな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。
【請求項７】
前記チャネル部は、半導体中に形成される２次元電子ガス領域であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のスピントランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スピントランジスタに関し、より詳細には、高密度磁気記録読み出し用磁気ヘッドなどの磁気センサーや、磁性ＲＡＭ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）あるいは磁性ＲＯＭ（ＭＲＯＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）などの高密度記憶素子、光検出素子などとして用いて好適なスピントランジスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気記録の高密度化および高速化は、磁気記録媒体の改良と並んで、磁気記録装置の進歩、なかでも磁気記録の書き込みおよび読み出しに用いられる磁気ヘッドの進歩に負うところが多い。例えば、磁気記録媒体の小型化、大容量化に伴って、磁気記録媒体と読み出し用磁気ヘッドとの相対速度は小さくなるが、その場合でも大きな出力が取り出せる新しいタイプの読み出し用磁気ヘッドとして、巨大磁気抵抗効果ヘッド（Ｇｉａｎｔ  ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｅｆｆｅｃｔ：ＧＭＲヘッド）の開発が進められている。
【０００３】
ＧＭＲヘッドは従来のＭＲ（ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｅｆｆｅｃｔ）ヘッドと比較して、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が大きく優れた特性を持っている。そして、最近、より優れた特性が期待されるトンネル接合型のＧＭＲヘッドが急速に注目を集めている。
【０００４】
従来の磁気記録媒体は、磁気ディスクすなわちファイルメモリとして機能し、その情報はいったんコンピュータ本体の半導体メモリ（ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ）に読み込まれた後利用される。半導体メモリは、多くの優れた特性を持っているが、記憶保持のために大量の電力を消費するという大きな欠点も持っている。近年、記憶保持のための電力が必要ないフラッシュメモリやＦＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍｅｍｏｒｙ：誘電体メモリ）などの開発が進められているが、いずれも書き換え回数が限定されるという大きな欠点を持っている。
【０００５】
一方で、実質的に書き換えが無限に繰り返し可能な磁気メモリ（ＭＲＡＭ）の開発も始められているが、その実現のためには大きなＭＲ比を示す材料あるいはデバイスの開発が望まれている。従来のスピンバルブ膜に比べてより大きなＭＲ比を示す素子として、「磁性体トンネル接合素子」が注目され、それらを用いて、あるいはそれらとＭＯＳ型トランジスタとを組み合わせることによって磁気ヘッドや磁気メモリを形成する試みが進められている。
【０００６】
さらに磁性体トンネル接合素子に比べさらに優れた特性が期待されるスピントランジスタやスピンバルブトランジスタの開発が始められている。このようなスピントランジスタは、例えば、Ｓ．  Ｄａｔｔａ  らにより  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．，  ５６，  （１９９０）  ｐ．  ６６５に開示されている。
【発明が解決しようとする課題】
図１２は、従来のスピントランジスタの要部構成を表す模式図であり、同図（ａ）はその断面構成、同図（ｂ）はその平面構成を表す模式図である。
【０００７】
このトランジスタは、ソースＳの一部をなす強磁性体Ｆｅ１と、ドレインＤの一部をなす強磁性体Ｆｅ２と、これらの間に設けられた半導体層に形成される２次元電子ガスチャネル部Ｃと、をその基本構成としている。
【０００８】
ソース側の強磁性体Ｆ１の磁化方向に応じて、スピン偏極した電子がチャネル部Ｃに注入される。一方、ドレイン電流の大きさは、ドレインＤの一部を構成する強磁性体Ｆ２の磁化の向きにより変化する。そして、強磁性体Ｆ２が強磁性体Ｆ１と同じ向きに磁化されている場合にはチャネル電流は流れやすく、一方逆向きに磁化されている場合にはチャネル電流は流れにくい。
【０００９】
すなわち、強磁性体Ｆｅ１の磁化方向に対する強磁性体Ｆｅ２の磁化の方向に応じてチャネル電流が変化するという特性を有する。従って、磁気センサなどの用途に用いることが可能である。
【００１０】
しかしながら、図１２に例示したような従来のスピントランジスタは、強磁性体Ｆｅ２磁化の向きによる電流変化が小さく、このために、高速読み出しが困難であるという大きな欠点を有していた。
【００１１】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、ドレイン電流の磁化依存性が大きく高速読み出しに優れたスピントランジスタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１のスピントランジスタは、
スピン偏極した電子を生成するスピン偏極部を有するソース部と、磁性体を有するドレイン部と、
前記ソース部から前記ドレイン部に電子を導くチャネル部と、
を備え、
前記チャネル部は前記ドレイン部に向かって収束する形状を有し、前記チャネル部と前記ドレイン部との間にポイントコンタクトが設けられたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の第２のスピントランジスタは、
スピン偏極した電子を生成するスピン偏極部を有するソース部と、
磁性体を有するドレイン部と、
前記ソース部と前記ドレイン部との間に設けられた半導体層と、
前記半導体層に電圧を印加することにより、前記ソース部から前記ドレイン部に電子を導くチャネル部を形成するゲート電極と、
を備え、
前記ゲート電極の形状にくびれ部を与えることにより前記チャネル部と前記ドレイン部との間にポイントコンタクトが形成されることを特徴とする。
【００１３】
上記第１及び第２のトランジスタの構成によれば、ポイントコンタクトを設けることにより、高いＭＲ比が得られ、従来よりも磁気検出感度や読み出し速度を大幅に改善することが可能となる。
【００１４】
なおここで、「ポイントコンタクト」とは、スピン偏極した電子に対して量子効果が生ずるサイズに限定された接合部のことをいい、そのサイズすなわち電子の流れる方向に対して垂直な方向の長さは、電子の波長程度あるいはそれ以下であるものとする。
【００１５】
例えば、チャネル部が半導体により形成され、その半導体中における電子の波長が１０ｎｍの場合には、ポイントコンタクトのサイズは、１０ｎｍあるいはそれ以下とする。
【００１６】
また、上記第２のスピントランジスタの場合、ゲート電極を加工することにより確実且つ容易に微細なポイントコンタクトを形成することができる。
【００１７】
また、前記スピン偏極部は、円偏光した光の照射によりスピン偏極した電子を励起する化合物半導体からなるものとすれば、偏光検出素子として用いることができる。
【００１８】
また、前記スピン偏極部及び前記磁性体の少なくともいずれかは、一定の結晶方位に配向した鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）あるいはこれらを含有する合金からなるものとすれば、強い磁化が容易に得られ、高いＭＲ比が得られ、感度が高く、動作の安定したスピントランジスタを実現できる。
【００１９】
また、前記ソース部は、トンネル接合を有するものとすれば、チャネル部に供給する電子のスピン偏極率をさらに高くすることが可能となる。
【００２０】
また、前記スピン偏極部及び前記磁性体の少なくともいずれかは、化合物磁性半導体からなるものとすれば、チャネル部などを構成する半導体層との整合性が良く、エピタキシャル成長なども容易となるために、スピン偏極した電子の注入効率を高くすることができる。
【００２１】
また、前記チャネル部は、半導体中に形成される２次元電子ガス領域であるものとすれば、チャネル部において散乱により電子がスピン情報を喪失する確率を下げることができる。
本発明者の検討の結果、図１２に例示した従来のスピントランジスタにおいて、磁化の方向の変化に伴うドレイン電流の変化が小さい原因として、次の３つの要因が挙げられることが判明した。
【００２２】
まず第１の要因は、磁化の向きに依存するチャネル部ＣとドレインＤとの間の界面抵抗が、磁化の向きに依存しないチャネル部Ｃの抵抗に比較して小さいことである。すなわち、ドレイン電流の大きさはソース／ドレイン間に印加した電圧とソース／ドレイン間の抵抗値とによって決まるが、後者はソース／チャネルおよびチャネル／ドレイン間の界面抵抗とチャネル部の抵抗の和になっており強磁性体Ｆ２磁化の向きに依存するのはチャネル／ドレイン間の界面抵抗のみである。
【００２３】
すなわち、ドレイン電流の磁化方向依存性（素子のＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｏ−ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）比）を増大させるためには、チャネル／ドレイン間の界面抵抗を増大させることが必要である。
【００２４】
素子のＭＲ比が小さい第２の要因は、界面抵抗の磁化方向依存性そのものが小さいことである。従って、何らかの手段により、磁化方向依存性を増大させることが必要である。
【００２５】
第３の要因は、ソースからチャネルに注入される電子のスピン偏極率が小さいことである。素子のＭＲ比は、チャネルを伝導し、ドレインに流れる電子のスピン偏極率とドレインの強磁性体のスピン偏極率とに依存する。従って、何らかの方法で、スピン偏極率の高い電子をソースからチャネルに注入することによって、よりＭＲ比を高めることができる。
【００２６】
以上の考察の結果、本発明者は、チャネル／ドレイン接合部に半導体／金属接合からなる「ポイントコンタクト」を採用することにより、上述の第１と第２の要因に起因した従来型スピントランジスタの欠点を取り除くことに想到した。
【００２７】
また、ＭＲ比が小さい第３の要因を解決するには、チャネルにスピン偏極率の高い電子を注入する必要がある。本発明のスピントランジスタでは、ソースを化合物半導体で構成し、円偏光により化合物半導体内に励起されたスピン偏極電子をチャネル領域に注入することによりチャネル領域にスピン偏極率の高い電子を注入することができる。あるいは、ソースを磁性トンネル接合とし、磁性トンネル接合の上部電極と下部電極間に電圧を印加することによっても、スピン偏極率の高い電子をチャネルに注入することができる。
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００２８】
図１は、本発明の実施の形態にかかるスピントランジスタの要部構成を表す模式図である。すなわち、同図（ａ）はその断面構成、同図（ｂ）はその平面構成をそれぞれ表す。
【００２９】
本発明のトランジスタは、ソースＳの一部をなすスピン偏極部Ｆ１と、ドレインＤの一部をなす強磁性体Ｆ２と、これらの間に設けられた半導体層に形成されるチャネル部Ｃと、をその基本構成としている。
【００３０】
ソースＳに設けられたスピン偏極部Ｆ１は、スピン偏極した電子を生成する作用を有し、例えば、図１２に表したような強磁性体からなるものの他にも、後に詳述するように、化合物磁性半導体や、円偏光によりスピン偏極する電子を生成する化合物半導体なども包含される。
【００３１】
ソースＳからチャネル部Ｃへのスピン偏極電子の注入は、図１２に例示した従来のトランジスタと同様である。すなわち、ソース側のスピン偏極部Ｆ１の磁化方向に応じて、スピン偏極した電子がチャネル部Ｃに注入される。そして、ドレインＤの一部を構成する強磁性体Ｆ２がスピン偏極部Ｆ１と同じ向きに磁化されている場合にはチャネル電流は流れやすく、一方逆向きに磁化されている場合にはチャネル電流は流れにくい。
【００３２】
そして、本発明のトランジスタの場合、チャネル部ＣとドレインＤとの間にポイントコンタクトＱＰが形成されている。ポイントコンタクトＱＰは、強磁性体に対して量子サイズ効果が生じうる程度の微細なコンタクトを設けたものである。つまり、本発明のトランジスタの場合、ドレインＤの一部を構成する強磁性体Ｆ２に対して、このような微細なコンタクトを形成してチャネル部Ｃから電子を与えるようにする。
【００３３】
以下、本発明のおける「ポイントコンタクト」の概念についてまず説明する。
【００３４】
図２は、磁性体により構成されたポイントコンタクト素子の参考例を表す概念図である。
【００３５】
この素子は、上下の磁性電極１１０、１２０の間にくびれ部Ｎをもつ２端子素子であり、上下電極の磁化の向きにより抵抗が変化する。抵抗の変化率として数１００％というきわめて大きな値がこれまでに報告されているが、大きな変化率を示す理由は、量子化された電子のバリスティック伝導に伴う現象として説明されている。ポイントコンタクトは、大きな抵抗変化率を示す優れた素子であるが、それを作製するには電子の波長程度のくびれ部Ｎを作製することが必要となる。金属中の伝導電子の波長は１ｎｍ程度であるが、幅１ｎｍ程度のくびれ部を再現性良く作製することは、現在の技術では困難なため、この素子は基礎研究の段階に留まっている。
【００３６】
なお、このようなポイントコンタクト素子を開示したものとしては、２つの針状のニッケル（Ｎｉ）を付き合わせた磁気微小接点、あるいは２つのマグネタイトを接触させた磁気微小接点が、それぞれ、文献  Ｎ．  Ｇａｒｃｉａ，  Ｍ．  Ｍｕｎｏｚ，  ａｎｄ  Ｙ．  −Ｗ．  Ｚｈａｏ，  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．８２，  ｐ２９２３  （１９９９）  およびＪ．  Ｊ．  Ｖｅｒｓｌｕｉｊｓ，  Ｍ．  Ａ．  Ｂａｒｉ  ａｎｄ  Ｊ．  Ｍ．  Ｄ．  Ｃｏｅｙ，  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．８７，  ｐ２６６０１  −１  （２００１  ）  に開示されている。
【００３７】
再び図１に戻って説明を続けると、このようなポイントコンタクトＱＰをスピントランジスタに設けることにより、ドレインＤの一部を構成する強磁性体Ｆ２磁化の向きによる電流変化を飛躍的に大きくし、高速読み出しも可能となる。
【００３８】
ポイントコンタクトＱＰは、例えば、ゲート電極Ｇの形状を図１のチャネル部Ｃの形状とすることにより実現できる。すなわち、図１（ｂ）のチャネル部Ｃに対応してドレインＤに向かって収束する形状のゲート電極Ｇを形成する。
【００３９】
このようなゲート電極Ｇにゲート電圧を印加すると、チャネルとなる半導体層のうち、ゲート電極Ｇの形状に対応した領域において空乏化あるいは反転が生じ、チャネル部Ｃが形成される。このようにして形成されたチャネル部Ｃのポテンシャル障壁により、電子をくびれ部、すなわちポイントコンタクトＱＰに閉じ込めることができる。半導体内の電子の波長は１０ｎｍ以上あるので、くびれ部すなわちポイントコンタクトＱＰの幅も数１０ｎｍ程度でよい。このようなサイズの、ポイントコンタクトＱＰの形成は現在の技術で十分可能である。
【００４０】
また、ポイントコンタクトＱＰは、チャネルを構成する半導体層をパターニングすることによっても実現することができる。例えば、チャネル部Ｃとなりうる半導体層をエッチングして図１（ｂ）のチャネル部Ｃの形状のメサを形成すれば良い。
【００４１】
あるいは、半導体層に不活性化元素を選択的に注入することにより、図１（ｂ）のチャネル部Ｃの部分のみを活性領域として残存させてもよい。この場合の不活性化元素としては、例えば、水素、プロトン、酸素、鉄、及びその他各種の元素を半導体材料に応じて適宜選択して用いることができる。
【００４２】
本発明によれば、チャネル部ＣとドレインＤとの間にポイントコンタクトＱＰを設けることにより、チャネル部ＣとドレインＤとの間のコンタクト抵抗がチャネル抵抗に比較して著しく増大し、かつコンタクト抵抗の磁化依存性が上昇するため、ドレイン電流の磁化方向依存性（ＭＲ比）を飛躍的に高めることができる。
【００４３】
このようなスピントランジスタを用いて図３のようなメモリセルを構成すれば、新しいタイプの固体磁気メモリ（ＭＲＡＭ）として利用することが原理的には可能である。
【００４４】
例えば、スピン偏極部Ｆ１として用いる強磁性体の磁化の向きを固定しておき、（図３では省略されている）書き込み電流により生ずる磁場によって強磁性体Ｆ２の磁化をＦ１の磁化と平行あるいは反平行に遷移させることにより、バイナリ−コードを書き込むことができる。コードの読み出しは、トランジスタのゲートＧに繋がったワード線ＷＬに電圧を印加してトランジスタをオン（ＯＮ）状態にし、ビット線ＢＬを流れるドレイン電流を観測することにより強磁性体Ｆ２磁化の向きを検出することができる。
【００４５】
磁性トンネル接合を用いた従来のＭＲＡＭでは、１ビットの構成要素として１個のトンネル接合と１個のトランジスタが必要であったのに対して、図３に表したメモリセルの場合、１個のトランジスタのみで１ビットを構成することができる。
【００４６】
しかも、本発明によれば、スピントランジスタの強磁性体Ｆ２磁化の向きによる電流変化が大きく、このために、高速読み出しも可能となる点でさらに有利である。
【００４７】
一方、ドレイン電流の磁化方向依存性（ＭＲ比）は、ソースＳからチャネル部Ｃに注入される電子のスピン偏極率にも依存する。鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）などの強磁性体中に存在する伝導電子のスピン偏極率は高々５０％程度なので、これらスピン偏極部Ｆ１からチャネル部Ｃに注入される電子の偏極率も高々５０％程度である。
【００４８】
より高いスピン偏極率の電子を注入するために、本発明の一形態においては、ソースＳに化合物半導体を用いる。円偏光を照射することにより化合物半導体内に高いスピン偏極率の電子を励起し、その電子をチャネル部Ｃに注入することにより素子のＭＲ比をさらに高めることができる。
【００４９】
また、ソースＳに磁性トンネル接合を用いることによって、よりスピン偏極率の高い電子をチャネルに注入し、ＭＲ比を高めることができる。
【００５０】
なお、電子がスピン情報を喪失せずにソースＳからドレインＤに達するためには、チャネル部Ｃにおける散乱を抑制する必要がある。この観点からは、チャネル部Ｃは、いわゆる２次元電子ガスが形成される条件を満たすことが望ましい。
【００５１】
また、スピン偏極部Ｆ１及びＦ２の材料としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）などの単体、または、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）の少なくともいずれかの元素を含む合金、または、「パーマロイ」と呼ばれるＮｉＦｅ系合金、あるいは、ＣｏＮｂＺｒ系合金、ＦｅＴａＣ系合金、ＣｏＴａＺｒ系合金、ＦｅＡｌＳｉ系合金、ＦｅＢ系合金、ＣｏＦｅＢ系合金などの軟磁性材料、ホイスラー合金やＣｒＯ２、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１―ＸＳｒＸＭｎＯ３などのハーフメタル磁性体を用いることができる。すなわち、これらの材料のうちから、トランジスタの半導体材料や用途に応じた特性を有するものを適宜選択して用いればよい。
【００５２】
【実施例】
以下、実施例を参照しつつ本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明する。
【００５３】
（第１の実施例）
まず、本発明の第１の実施例として、Ｓｉ（シリコン）−ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）反転層をチャネルとするスピントランジスタについて説明する。
【００５４】
図４は、本実施例のスピントランジスタの要部構成を表す模式図である。すなわち、同図（ａ）はその断面構成、同図（ｂ）はその平面構成をそれぞれ表す。
【００５５】
本実施例においては、ｐ型シリコン基板１０の上にゲート絶縁層２０を設け、ゲートＧに電圧を印加するとこの直下に反転層１２が形成されるＭＯＳトランジスタの構造を採用した。
【００５６】
ソースＳ及びドレインＤには、いずれも厚さ２００ｎｍの鉄（Ｆｅ）からなる強磁性層Ｆ１、Ｆ２を用いている。さらに、ソースＳ側のＦ１膜の磁化を、反強磁性体であるイリジウム・マンガン層ＩｒＭｎからの交換磁場により、同図の矢印Ｍの方向に固着させている。一方、ドレインＤの強磁性体膜Ｆ２の磁化は外部磁場により面内で回転することができる。
【００５７】
このトランジスタのチャネル長は１μｍ、チャネル幅は５μｍであり、ゲート絶縁膜２０を介してアルミニウム（Ａｌ）ゲート電極Ｇが形成されている。
【００５８】
ゲート電極Ｇの形状は、幅５０ｎｍのくびれ部ＱＰを持った特殊形状をしている。ゲート電極Ｇに正電圧を印加すると、ゲート電極Ｇの直下にチャネル部（反転層）Ｃが形成されドレイン電流が流れるが、その電流がドレインＤを構成する強磁性体層Ｆ２の磁化の向きにより変化する。
【００５９】
電子の波長程度の細いくびれ部ＱＰを流れる電子の運動は、くびれ部を通過する方向にほぼ平行に進む電子に限定され、かつその波長（およびエネルギー）が量子化されるため、界面抵抗のスピン依存性が増大する。
【００６０】
また、本実施例のトランジスタでは、チャネル部ＣとドレインＤとの間の界面抵抗が、ソースＳとチャネル部Ｃとの間の界面抵抗およびチャネル抵抗に比較して十分大きくなっている。
【００６１】
図５（ａ）は、本実施例のトランジスタのドレイン電流−ゲート電圧（ＩＤ−ＶＧ）特性を表すグラフ図である。ここで、ドレイン電圧ＶＤは０．５Ｖに固定した。また、図中の実線はドレインＤの強磁性体Ｆ２の磁化がソースＳの強磁性体Ｆ１の磁化に対して平行な場合、点線は反平行な場合をそれぞれ表す。
【００６２】
このグラフから分かるように、ゲート電圧が閾値電圧（ＶＴ〜０．１２Ｖ）を超えるとドレイン電流が流れはじめ、磁化の向きによる電流の変化（ＭＲ比）は約１２％であった。
【００６３】
図５（ｂ）は、ドレイン電流−ドレイン電圧（ＩＤ−ＶＤ）特性を表すグラフ図である。ここで、ゲート電圧ＶＧは１Ｖに固定した。また、図５（ａ）と同様に、実線はドレインＤの強磁性体Ｆ２の磁化がソースＳの強磁性体Ｆ１の磁化に対して平行な場合、点線は反平行な場合をそれぞれ表す。
【００６４】
ピンチオフ電圧ＶＰ＝ＶＧ−ＶＴ以下では、図５（ａ）と同様に約１２％のＭＲ比が得られているが、ＶＤがＶＰを超えると急速にＭＲ比が減少し、ドレイン電流はＦ２の磁化方向に依存しなくなることが観測された。
【００６５】
ＶＤがＶＰ以上の飽和領域ではチャネル／ドレイン電極間の空乏化に伴ってポテンシャルバリアが発生し、ドレイン電流はこのバリアの抵抗で決まるため磁化の向きに殆ど依存しなくなると考えられる。
【００６６】
ここで、本実施例に対する比較例として、ポイントコンタクトＱＰを除いた他の構成を同一としたＳｉ−ＭＯＳ反転層をチャネルとするスピントランジスタも試作した。すなわち、この比較例においては、ゲート電極Ｇの形状を図１（ｂ）の如く収束形状とはせず、通常のトランジスタと同様にチャネル半導体層の上に全面に亘って設けた。
【００６７】
この比較例のトランジスタの閾値電圧は、本実施例のトランジスタとほぼ同じ０．１１Ｖであったが、ゲート電圧０．２Ｖにおけるドレイン電流は約１μＡに増大した。この素子のＭＲ比は約０．５％と極めて小さかった。
【００６８】
すなわち、ゲート電極Ｇをパターニングすることにより形成したポイントコンタクトＱＰを設けることにより、ＭＲ比を大幅に高くすることができることが確認できた。
【００６９】
（第２の実施例）
次に、本発明の第２の実施例として、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓからなる選択ドープへテロ構造の２次元電子ガスを用いたスピントランジスタを試作した。
【００７０】
図６は、本実施例のスピントランジスタの要部構成を表す模式図である。すなわち、同図（ａ）はその断面構成、同図（ｂ）はその平面構成をそれぞれ表す。
【００７１】
本実施例においては、ＩｎＧａＡｓ層３０の上にＩｎＡｌＡｓ層４０を設け、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓヘテロ接合界面に形成される２次元電子系３０Ａをチャネルとするスピントランジスタを作製した。
【００７２】
ゲート電極Ｇのサイズおよび形状は、第１実施例と同様としたが、ドレインＤの強磁性体Ｆ２は、ＩｎＧａＡｓ層３０の上にエピタキシャル成長した。強磁性体Ｆ２の膜表面およびチャネルと接した端面の面方位は何れも（００１）面となっている。
【００７３】
本実施例のスピントランジスタは、第１実施例のトランジスタと同様に、強磁性体Ｆ２の磁化の向きによりドレイン電流が変化するが、その変化の割合は第１実施例のトランジスタの約３倍であり、約３５％のＭＲ比が観測された。本実施例において第１実施例と比較して大きなＭＲ比が得られた理由は以下のように考えられる。
【００７４】
すなわち、トランジスタのＭＲ比は、半導体（チャネル）／磁性体（Ｆ２）界面の界面抵抗が強磁性体Ｆ２の磁化方向に依存するために生じるが、磁化方向に依存する原因は界面を透過する電子の透過率が電子のスピンの向きに依存するためであり、磁性体のバンド構造に由来している。
【００７５】
バンド構造は一般に、ブリルアンゾーンと呼ばれる波数空間の中で表現され、例えばＦｅの結晶中を［００１］方向に進む電子はブリルアンゾーンの△線上の点として表現されるが、その状態は波動関数の対称性で区別され、通常群論の既約表現を用いて△１、△２のように記号で記述される。
【００７６】
図７に表したように、鉄（Ｆｅ）のバンド構造は複雑であるが、アップスピンバンドはフェルミ準位の近傍で△１の対称性を持ち、ダウンスピンバンドは△２、△２’、△５の対称性を持っている。一方、ＩｎＧａＡｓチャネル中を［００１］方向に進む電子のバンドは、Δ１対称性をもっている。同じ対称性をもつバンド間を電子は反射されずに進むことができるので［００１］方向に進むアップスピン電子は半導体（チャネル）／磁性体（Ｆ２）界面を透過できるが、異なる対称性を持つバンド間を電子は進むことができないのでダウンスピン電子は強く反射される。
【００７７】
すなわち［００１］方向の半導体（チャネル）／磁性体（Ｆ２）界面は強いスピン依存性を持ち、そのためこの素子では高いＭＲ比が得られたと考えられる。
【００７８】
第１実施例のトランジスタでは強磁性体Ｆ２が多結晶体のため、半導体（チャネル）／磁性体（Ｆ２）界面のスピン依存性が相対的に小さかったが、本実施例のトランジスタにおいては、このスピン依存性がさらに大きくなり、ＭＲ比も大きくなったものと考えられる。
【００７９】
（第３の実施例）
次に、本発明の第３の実施例として、ソースＳが化合物半導体からなるスピントランジスタについて説明する。
【００８０】
図８は、本実施例のスピントランジスタの要部構成を表す模式図である。すなわち、同図（ａ）はその断面構成、同図（ｂ）はその平面構成をそれぞれ表す。
【００８１】
本実施例においても、ＩｎＧａＡｓ層３０の上にＩｎＡｌＡｓ層４０を設け、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓヘテロ接合界面に形成される２次元電子系３０Ａをチャネルとするスピントランジスタを作製した。
【００８２】
但し、本実施例においては、ソースＳとしてガリウム砒素ＧａＡｓを設けた。ゲート電極Ｇのサイズおよび形状は、第１及び第２実施例と同様とした。
【００８３】
本実施例のトランジスタの場合も、第１及び第２実施例と同様に、強磁性体Ｆ２の磁化の向きに応じてドレイン電流が変化する。
【００８４】
ここで、ソースＳのＧａＡｓに右円偏光した光Ｌを照射し、強磁性体Ｆ２の磁化の向きを反転させて、ドレイン電流の変化を測定したところ、５０％のＭＲ比が観測された。ＭＲ比が大きくなった理由は、円偏光によってソースＳのＧａＡｓ中に高偏極率の電子が励起され、チャネル部Ｃに注入されたことによると考えられる。この動作原理から明らかであるが、本実施例のトランジスタは、円偏光検出素子として用いることも可能である。
【００８５】
（第４の実施例）
次に、本発明の第４の実施例として、ソースＳがトンネル接合を有するスピントランジスタについて説明する。
【００８６】
図９は、本実施例のスピントランジスタの要部断面構成を表す模式図である。
【００８７】
本実施例においても、ＩｎＧａＡｓ層３０の上にＩｎＡｌＡｓ層４０を設け、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓヘテロ接合界面に形成される２次元電子系３０Ａをチャネルとするスピントランジスタを作製した。
【００８８】
但し、ソースＳとして、鉄コバルト（ＦｅＣｏ）合金／アルミニウム（Ａｌ）酸化膜／鉄（Ｆｅ）からなる積層構造の磁性トンネル接合を設けた。この磁性トンネル接合からＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ接合界面の２次元電子ガスのチャネル部Ｃに、電子が供給される。第１乃至第３実施例と同様に、ゲート電極Ｇをパターニングすることにより、チャネル部Ｃと強磁性体Ｆ２との間にポイントコンタクトＱＰを形成した。また、ドレインＤには、強磁性体としてＦｅＮｉ合金を設けた。
【００８９】
トランジスタの断面形状は、２次元電子チャネル部Ｃへの効率的な電子注入を行うため、図９に表したようにメサ状とし、その側面にソースＳ、ドレインＤを設けた。ここで、トランジスタのチャネル長は１μｍ、チャネル幅は５μｍとした。
【００９０】
ソースＳに設けた積層構造における上下の磁性体Ｆｅ、ＦｅＣｏは、同方向に磁化させた。このトランジスタは、ドレインＤの強磁性体ＦｅＮｉの磁化の向きに応じてドレイン電流が変化する。ゲート電圧ＶＧ＝１Ｖ、ドレイン電圧ＶＤ＝０．５Ｖのとき、ＭＲ比は、３８％を示した。
【００９１】
本実施例においてＭＲ比が大きくなった理由としては、磁性トンネル接合からなるソースＳからチャネル部Ｃに注入された電子のスピン編極率が、第１実施例のような磁性体のみの場合と比較して、大きくなるためと考えられる。
【００９２】
またさらに、図１０に表したような構造を有するスピントランジスタにおいても、同様なＭＲ比の向上が認められた。すなわち、同図に表したトランジスタの場合、ソースＳに設けられた磁性トンネル接合は、鉄（Ｆｅ）／金（Ａｕ）／鉄（Ｆｅ）／アルミニウム（Ａｌ）酸化膜／アルミニウム（Ａｌ）という積層構造を有する。この積層構造の一部である、鉄（Ｆｅ）／金（Ａｕ）／鉄（Ｆｅ）は、いわゆる「スピンバルブ」構造である。但し、本実施例の場合、このスピンバルブ膜中の２層の鉄（Ｆｅ）は、それぞれ同方向に磁化した。
【００９３】
図１０に表したトランジスタの場合も、ＭＲ比が大きくなる理由は、チャネル部Ｃに注入される、電子のスピン偏極率が高くなるためと考えられる。
【００９４】
（第５の実施例）
次に、本発明の第５の実施例として、ソースＳ、ドレインＤが磁性半導体からなるスピントランジスタについて説明する。
【００９５】
図１１は、本実施例のスピントランジスタの要部断面構成を表す模式図である。
【００９６】
本実施例においても、ＩｎＧａＡｓ層３０の上にＩｎＡｌＡｓ層４０を設け、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓヘテロ接合界面に形成される２次元電子系３０Ａをチャネルとするスピントランジスタを作製した。
【００９７】
但し、ソースＳおよびドレインＤが、それぞれガリウム・マンガン・砒素磁性半導体ＧａＭｎＡｓからなり、ゲート電極ＧをパターニングすることによりポイントコンタクトＱＰが形成されるスピントランジスタを作製した。
【００９８】
ＧａＭｎＡｓは、分子線エピタキシー法を用いてエピタキシャル成膜した。チャネル長は１μｍ、チャネル幅は５μｍとした。
【００９９】
本実施例のトランジスタでは、ＭＲ比は５０％を示した。ＭＲ比が大きく向上した理由は、ソースＳのＧａＭｎＡｓとチャネル部Ｃとの界面では、結晶の乱れが少ないため、ＧａＭｎＡｓから電子がチャネル部Ｃに注入される際に、スピン反転などによるスピン情報の喪失が起こりにくく、チャネル部Ｃに高偏極率の電子を注入できるためと考えられる。
【０１００】
また同様に、ドレインＤにおいても、チャネル部Ｃとの界面での結晶の乱れが少ないため、ポイントコンタクトＱＰを介して流入する電子のスピン情報の喪失が起きにくく、ＭＲ比の向上に寄与していると考えられる。
【０１０１】
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各要素の具体的な寸法関係や材料、その他、基板、電極、導電型、ドーパント、絶縁構造などの形状や材質に関しては、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。
【０１０２】
また、本発明のスピントランジスタにおける強磁性体、チャネル部、スピン偏極部などの構成要素は、それぞれ単層として形成してもよく、あるいは２以上の層を積層した構造としてもよい。
【０１０３】
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を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべてのスピントランジスタも同様に本発明の範囲に属する。
【０１０４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、ソースから２次元電子ガス系などのチャネル領域にスピン偏極電子を注入し、ドレインを構成する磁性体の磁化の向きによりドレイン電流が変化するスピンＦＥＴにおいて、チャネル領域とドレインとの間にポイントコンタクトを形成することによりＭＲ比が大きく実用可能な素子を提供することができ産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかるスピントランジスタの要部構成を表す模式図である。
【図２】磁性体により構成されたポイントコンタクト素子の参考例を表す概念図である。
【図３】本発明のスピントランジスタを用いて構成されるＭＲＡＭのメモリセルを表す模式図である。
【図４】本発明の実施例のスピントランジスタの要部構成を表す模式図である。
【図５】（ａ）は、本実施例のトランジスタのドレイン電流−ゲート電圧（ＩＤ−ＶＧ）特性を表すグラフ図であり、（ｂ）は、ドレイン電流−ドレイン電圧（ＩＤ−ＶＤ）特性を表すグラフ図である。
【図６】本発明の実施例のスピントランジスタの要部構成を表す模式図である。
【図７】鉄（Ｆｅ）のバンド構造を表す模式図である。
【図８】本発明の実施例のスピントランジスタの要部構成を表す模式図である。
【図９】本発明の実施例のスピントランジスタの要部断面構成を表す模式図である。
【図１０】本発明の実施例のスピントランジスタの要部断面構成を表す模式図である。
【図１１】本発明の実施例のスピントランジスタの要部断面構成を表す模式図である。
【図１２】従来のスピントランジスタの要部構成を表す模式図であり、同図（ａ）はその断面構成、同図（ｂ）はその平面構成を表す模式図である。
【符号の説明】
１０  シリコン基板
１２  反転層
２０  ゲート絶縁層
３０  ＩｎＧａＡｓ
３０Ａ  ２次元電子系
４０  ＩｎＡｌＡｓ
１１０、１２０  磁性電極
ＢＬ  ビット線
ＷＬ  ワード線
Ｃ  チャネル部
Ｆ１  スピン偏極部
Ｆ２  強磁性体
Ｇ  ゲート電極
Ｌ  光
Ｍ  磁化
ＱＰ  ポイントコンタクト
Ｓ  ソース
Ｄ  ドレイン
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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