(57)【要約】  スピントロニクスデバイスは、少なくとも１つの超格子と、それに結合された少なくとも１つの電気コンタクトとを有し、前記少なくとも１つの超格子は複数のレイヤー群を含む。各レイヤー群は、結晶格子を有するベース半導体部分を画成する複数の積層されたベース半導体モノレイヤー、隣接し合うベース半導体部分の結晶格子内に拘束された少なくとも１つの非半導体モノレイヤー、及びスピントロニクスドーパントを含み得る。スピントロニクスドーパントは、前記少なくとも１つの非半導体モノレイヤーによって、ベース半導体部分の結晶格子内に拘束され得る。一部の実施形態において、超格子の反復構造は必要とされない。
2009530827.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの超格子；及び
前記少なくとも１つの超格子に結合された少なくとも１つの電気コンタクト；
を有するスピントロニクスデバイスであって：
前記少なくとも１つの超格子は複数のレイヤー群を有し、各レイヤー群は：
結晶格子を有するベース半導体部分を画成する複数の積層されたベース半導体モノレイヤー、
隣接し合うベース半導体部分の前記結晶格子内に拘束された少なくとも１つの非半導体モノレイヤー、及び
前記少なくとも１つの非半導体モノレイヤーによって前記ベース半導体部分の前記結晶格子内に拘束されたスピントロニクスドーパント、
を有する、
スピントロニクスデバイス。
【請求項２】
前記スピントロニクスドーパントは、前記少なくとも１つの非半導体モノレイヤーに隣接する少なくとも１つのスピントロニクスドーパントモノレイヤーを有する、請求項１に記載のスピントロニクスデバイス。
【請求項３】
前記スピントロニクスドーパントは遷移金属を有する、請求項１に記載のスピントロニクスデバイス。
【請求項４】
前記スピントロニクスドーパントはマンガンを有する、請求項１に記載のスピントロニクスデバイス。
【請求項５】
前記少なくとも１つの遷移金属は、マンガン、鉄及びクロムのうちの１つ以上を有する、請求項３に記載のスピントロニクスデバイス。
【請求項６】
前記スピントロニクスドーパントは希土類元素を有する、請求項１に記載のスピントロニクスデバイス。
【請求項７】
前記希土類元素は希土類ランタニドを有する、請求項６に記載のスピントロニクスデバイス。
【請求項８】
前記非半導体は酸素を有する、請求項１に記載のスピントロニクスデバイス。
【請求項９】
前記非半導体は、酸素、窒素、フッ素、炭素−酸素、及び硫黄のうちの１つ以上を有する、請求項１に記載のスピントロニクスデバイス。
【請求項１０】
前記半導体はシリコンを有する、請求項１に記載のスピントロニクスデバイス。
【請求項１１】
前記半導体は、ＩＶ族半導体、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、及びＩＩ−ＶＩ族半導体からなるグループから選択された半導体を有する、請求項１に記載のスピントロニクスデバイス。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの超格子は一対の超格子を有し、且つ当該スピントロニクスデバイスは：
ソースとドレインとを画成するように前記一対の超格子を空間的に相隔てて担持する基板；
前記ソースと前記ドレインとの間のチャネル；及び
前記チャネルに隣接するゲート；
を更に有し、それによりスピントロニクス電界効果トランジスタを画成する、請求項１に記載のスピントロニクスデバイス。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの超格子は一対の超格子を有し、且つ当該スピントロニクスデバイスは：
前記一対の超格子を空間的に相隔てて担持する基板；及び
前記一対の超格子間のスペーサ；
を更に有し、それによりスピントロニクスバルブを画成する、請求項１に記載のスピントロニクスデバイス。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの超格子は常温以上のキュリー温度を示す、請求項１に記載のスピントロニクスデバイス。
【請求項１５】
結晶格子を有するベース半導体部分を画成する複数の積層されたベース半導体モノレイヤー；
前記結晶格子内に拘束された少なくとも１つの非半導体モノレイヤー；
前記少なくとも１つの非半導体モノレイヤーによって前記ベース半導体部分の前記結晶格子内に拘束されたスピントロニクスドーパント；及び
前記ベース半導体部分に結合された電気コンタクト；
を有するスピントロニクスデバイス。
【請求項１６】
前記スピントロニクスドーパントは、前記少なくとも１つの非半導体モノレイヤーに隣接する少なくとも１つのスピントロニクスドーパントモノレイヤーを有する、請求項１５に記載のスピントロニクスデバイス。
【請求項１７】
前記スピントロニクスドーパントは遷移金属及び希土類元素のうちの少なくとも一方を有する、請求項１５に記載のスピントロニクスデバイス。
【請求項１８】
前記非半導体は、酸素、窒素、フッ素、炭素−酸素、及び硫黄のうちの１つ以上を有する、請求項１５に記載のスピントロニクスデバイス。
【請求項１９】
前記半導体は、ＩＶ族半導体、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、及びＩＩ−ＶＩ族半導体からなるグループから選択された半導体を有する、請求項１５に記載のスピントロニクスデバイス。
【請求項２０】
前記ベース半導体部分を担持する基板を更に有する請求項１５に記載のスピントロニクスデバイス。
【請求項２１】
前記ベース半導体部分は常温以上のキュリー温度を示す、請求項１５に記載のスピントロニクスデバイス。
【請求項２２】
少なくとも１つの超格子を形成する工程；及び
前記少なくとも１つの超格子に結合された少なくとも１つの電気コンタクトを形成する工程；
を有するスピントロニクスデバイスを製造する方法であって：
前記少なくとも１つの超格子は複数のレイヤー群を有し、各レイヤー群は：
結晶格子を有するベース半導体部分を画成する複数の積層されたベース半導体モノレイヤー、
隣接し合うベース半導体部分の前記結晶格子内に拘束された少なくとも１つの非半導体モノレイヤー、及び
前記少なくとも１つの非半導体モノレイヤーによって前記ベース半導体部分の前記結晶格子内に拘束されたスピントロニクスドーパント、
を有する、
スピントロニクスデバイス。
【請求項２３】
前記スピントロニクスドーパントは、前記少なくとも１つの非半導体モノレイヤーに隣接する少なくとも１つのスピントロニクスドーパントモノレイヤーを有する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記スピントロニクスドーパントは遷移金属を有する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記スピントロニクスドーパントはマンガンを有する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記少なくとも１つの遷移金属は、マンガン、鉄及びクロムのうちの１つ以上を有する、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記スピントロニクスドーパントは希土類元素を有する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２８】
前記希土類元素は希土類ランタニドを有する、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記非半導体は酸素を有する、請求項２２に記載の方法。
【請求項３０】
前記非半導体は、酸素、窒素、フッ素、炭素−酸素、及び硫黄のうちの１つ以上を有する、請求項２２に記載の方法。
【請求項３１】
前記半導体はシリコンを有する、請求項２２に記載の方法。
【請求項３２】
前記半導体は、ＩＶ族半導体、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、及びＩＩ−ＶＩ族半導体からなるグループから選択された半導体を有する、請求項２２に記載の方法。
【請求項３３】
前記少なくとも１つの超格子を形成する工程は一対の超格子を形成する工程を有し、且つ当該方法は：
ソースとドレインとを画成するように前記一対の超格子を空間的に相隔てて担持する基板を設ける工程；
前記ソースと前記ドレインとの間のチャネルを形成する工程；及び
前記チャネルに隣接するゲートを形成する工程；
を更に有し、それにより前記スピントロニクスデバイスはスピントロニクス電界効果トランジスタを画成する、請求項２２に記載の方法。
【請求項３４】
前記少なくとも１つの超格子を形成する工程は一対の超格子を形成する工程を有し、且つ当該方法は：
前記一対の超格子を空間的に相隔てて担持する基板を設ける工程；及び
前記一対の超格子間のスペーサを形成する工程；
を更に有し、それにより前記スピントロニクスデバイスはスピントロニクスバルブを画成する、請求項２２に記載の方法。
【請求項３５】
前記少なくとも１つの超格子は常温以上のキュリー温度を示す、請求項２２に記載の方法。
【請求項３６】
結晶格子を有するベース半導体部分を画成する複数の積層されたベース半導体モノレイヤーを形成する工程；
前記結晶格子内に拘束された少なくとも１つの非半導体モノレイヤーを形成する工程；
前記少なくとも１つの非半導体モノレイヤーによって前記ベース半導体部分の前記結晶格子内に拘束されたスピントロニクスドーパントを設ける工程；及び
前記ベース半導体部分に結合された電気コンタクトを形成する工程；
を有するスピントロニクスデバイスを製造する方法。
【請求項３７】
前記スピントロニクスドーパントは、前記少なくとも１つの非半導体モノレイヤーに隣接する少なくとも１つのスピントロニクスドーパントモノレイヤーを有する、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記スピントロニクスドーパントは遷移金属及び希土類元素のうちの少なくとも一方を有する、請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記非半導体は、酸素、窒素、フッ素、炭素−酸素、及び硫黄のうちの１つ以上を有する、請求項３６に記載の方法。
【請求項４０】
前記半導体は、ＩＶ族半導体、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、及びＩＩ−ＶＩ族半導体からなるグループから選択された半導体を有する、請求項３６に記載の方法。
【請求項４１】
前記ベース半導体部分を担持する基板を設ける工程を更に有する請求項３６に記載の方法。
【請求項４２】
前記ベース半導体部分は常温以上のキュリー温度を示す、請求項３６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエレクトロニクス分野に関し、より具体的には、スピン・ベース・エレクトロニクス分野及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スピン・ベース・エレクトロニクス、すなわち、スピントロニクスは、電子の電荷と電子のスピンとの双方を利用し、例えば、高機能化、高速化、且つ／或いは低消費電力化された新たなデバイスを実現するものである。典型的なスピントロニクスデバイスは、図１Ａ及び１Ｂに示すようなスピンバルブである。スピンバルブ１１は、スピンが整列しているとき（図１Ａ）は低い抵抗を提供し、スピンが整列していないとき（図１Ｂ）には高い抵抗を提供する。スピンバルブ１１は、例えば、不揮発性記憶素子として使用され得る。他の典型的なスピントロニクスデバイスには、図２に概略的に示すようなスピンＦＥＴ１２や、図３に示すような量子ビットデバイス１３がある。
【０００３】
例えば、特許文献１は、材料を非磁性状態から常温強磁性状態に変化させるのに十分な量の遷移元素若しくは希土類ランタニド、又はこれら双方を含む酸化亜鉛を含有する希釈磁性半導体（ＤＭＳ）を開示している。この材料はバルク状であってもよいし、薄膜状であってもよい。ＤＭＳ材料は、遷移金属イオン又は希土類ランタニドがホストの半導体材料の陽イオン（カチオン）を置換した半導体である。より具体的に、ＤＭＳ材料１５を図４Ｂに概略的に示す。左側の図４Ａは磁性材料１４であり、右側の図４Ｃは非磁性材料１６である。
【０００４】
特許文献２は、第１の導電領域と第２の導電領域との間に半金属領域を有するスピントロニクス・スイッチングデバイスを開示している。半金属領域は、真性フェルミ準位において少数スピンチャネル内に利用可能な電子状態が実質的に存在しない材料を含有している。第１の導電領域に対する半金属領域の電圧を変化させることにより、そのフェルミ準位は第１の導電領域の電子のエネルギーバンドに対して移動され、多数スピンチャネル内の利用可能な電子状態の数が変化する。その際、スイッチングデバイスを通過する多数スピン偏極電流が変化する。半金属領域はＣｒＡｓを含んでいてもよく、また導電領域はｐ型ドープあるいはｎ型ドープされた半導体を含んでいてもよい。例えば、ｐ型ドープされた半導体はＭｎをドープされたＧａＡｓとし得る。
【０００５】
特許文献３は、常温で強磁性から半導体にスピン偏極されたキャリアを注入することにより得られるスピンバルブ効果を用いるメモリ及び論理デバイスとしてのスピントロニクスデバイスの応用と、スピン偏極される電界効果トランジスタとを開示している。強磁性体は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅＣｏ、ＮｉＦｅ、ＧａＭｎＡｓ、ＩｎＭｎＡｓ、ＧｅＭｎ及びＧａＭｎＮのうちの何れか１つとして開示されており、例えばＣｒＯ２等の１００％のスピン偏極を有する半金属とし得る。上記の半導体は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ及びＧｅから選択された半導体としてもよい。また、スピンチャネル領域は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）又は化合物半導体の二次元電子ガスとして開示されている。
【０００６】
Ｊｏｎｋｅｒらによる非特許文献１は、新たな自由度としてキャリアのスピンを使用する半導体ヘテロ構造を開示している。この文献は、デバイスに半導体スピントロニクス技術を実装するための４つの必須条件を開示するとともに、半導体へのスピン偏極キャリアの効率的な電気的注入がこの分野の進展を大きく妨げる重大な課題となっていることを提示している。この文献は更に、材料の品質の進歩により、Ｇａ１−ｘＭｎｘＡｓのキュリー温度が、常温を超える可能性を秘める約１５０Ｋまで高められたことを開示している。スピンに依存する共鳴トンネル現象が、トンネル接触のスピン選択性を非常に効率的に高めるものとして特定されている。２つの絶縁障壁と２つの強磁性半導体電極との間に非磁性半導体量子井戸を有する二重障壁ヘテロ接合（ＤＢＨ）は、量子井戸及び障壁のパラメータが適切に調整されるとき、半金属接合として振る舞い得る。
【０００７】
現行のスピンエレクトロニクス技術は、現在使用されている材料によって制約されている。例えば、Ｊｏｎｋｅｒらにより言及されているように、効率的なスピンキャリア注入を有することが重要である。また、既存の半導体処理技術との製造上及び動作上の適合性を有することが望ましい。また、磁気秩序温度又はキュリー温度を、より一般的な１００−２００Kではなく、常温又は常温近くまですることが望ましい。１つの可能性ある取り組みは、上述の特許文献３に開示されているようなＤＭＳ材料である。
【０００８】
別のスピントロニクスデバイス構造として、例えば非特許文献２にて開示されているようなディジタル強磁性ヘテロ構造（ＤＦＨ）がある。この文献は、ＧａＡｓ内のＭｎの溶解限度はかなり低いが、ＭｎＡｓ／ＧａＡｓ超格子を形成するＧａＡｓ内の閃亜鉛鉱型ＭｎＡｓサブモノレイヤにおいては高いＭｎ濃度が得られるということに言及している。従来技術に係るＤＦＨ構造１８の概略図を図５に示す。ＤＦＨ構造１８は、シリコン超格子内にＭｎの形で遷移金属（Ｔｍ）を有する。これは、フェルミ準位での大きいスピン偏極、大きい磁気抵抗効果、及びバルク内においてよりも高いキュリー温度を有し得るが、熱的安定性が低いという問題を有する。
【０００９】
残念ながら、スピントロニクス用の材料及び構造の多くは、例えばＭｎ等のスピントロニクスドーパントの濃度がかなり低いものである。スピンエレクトロニクスドーパントは、特に濃度が高められるとき、及び／又はデバイスが熱処理工程にかけられるとき、結晶格子から脱落する傾向にある。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／００１８８１６号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／０２５８４１６号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００４／０１７８４６０号明細書
【非特許文献１】Jonker等、「Electrical  Spin  Injection  and  Transport  in  Semiconductor  Spintronic  Devices」、MRS  Bulletin、2003年10月、p.740-748
【非特許文献２】Sanvito等、「Ab  Initio  Transport  Theory  for  Digital  Ferromagnetic  Heterostructure」、Physical  Review  Letters、第87巻、第26号、2001年12月24日、p.1-4
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、以上の背景技術に鑑み、製造が容易で、例えば常温又はそれを上回る温度で良好なスピントロニクス特性を示す、スピントロニクスデバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に従った上記及びその他の目的、特徴及び効果は、少なくとも１つの超格子と、それに結合された少なくとも１つの電気コンタクトとを有し、前記少なくとも１つの超格子は複数のレイヤー群を有するスピントロニクスデバイスによって果たされる。各レイヤー群は、結晶格子を有するベース半導体部分を画成する複数の積層されたベース半導体モノレイヤー、隣接し合うベース半導体部分の結晶格子内に拘束された少なくとも１つの非半導体モノレイヤー、及びスピントロニクスドーパントを有し得る。さらに、スピントロニクスドーパントは、前記少なくとも１つの非半導体モノレイヤーによってベース半導体部分の結晶格子内に拘束され得る。従って、スピントロニクスドーパントの脱落（precipitation）の可能性を低減しながら、相当に高いスピントロニクスドーパント濃度を達成・維持し得る。
【００１２】
スピントロニクスドーパントは、前記少なくとも１つの非半導体モノレイヤーに隣接する少なくとも１つのスピントロニクスドーパントモノレイヤーを有し得る。例えば、エネルギー準位がスピントロニクスドーパントの非半導体への引き付け及び保持に有利に作用する場合、そうであり得る。スピントロニクスドーパントは、例えばマンガン、鉄及びクロムのうちの少なくとも１つといった遷移金属を有していてもよい。これに代えて、あるいは加えて、スピントロニクスドーパントは、例えば希土類ランタニド等の希土類元素を有していてもよい。
【００１３】
非半導体は、例えば、酸素、窒素、フッ素、炭素−酸素、及び硫黄のうちの１つ以上を有していてもよい。半導体はシリコンを有していてもよく、あるいは更に一般的に、ＩＶ族半導体、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、及びＩＩ−ＶＩ族半導体からなるグループから選択された半導体を有していてもよい。超格子が常温以上のキュリー温度を示すよう、具体的な材料及び構造的な構成が好ましく選択され得る。
【００１４】
スピントロニクスデバイスの一実施形態はスピントロニクス電界効果トランジスタである。それに沿って、スピントロニクスＦＥＴは、ソースとドレインとを画成するように一対の超格子を空間的に相隔てて担持する基板、ソースとドレインとの間のチャネル、及びチャネルに隣接するゲートを含み得る。スピントロニクスデバイスの他の一実施形態はスピンバルブである。このスピンバルブは、一対の超格子を空間的に相隔てて担持する基板、及び前記一対の超格子間のスペーサを含み得る。
【００１５】
一部の実施形態において、超格子の反復構造は必要とされない。言い換えると、スピントロニクスデバイスは、結晶格子を有するベース半導体部分を画成する複数の積層されたベース半導体モノレイヤー、前記結晶格子内に拘束された少なくとも１つの非半導体モノレイヤー、及び前記少なくとも１つの非半導体モノレイヤーによってベース半導体部分の結晶格子内に拘束されたスピントロニクスドーパントを有していてもよい。さらに、このデバイスは、ベース半導体部分に結合された電気コンタクトを含んでいてもよい。
【００１６】
スピントロニクスデバイスの製造方法に係る態様は、少なくとも１つの超格子を形成する工程と、該超格子に結合された少なくとも１つの電気コンタクトを形成する工程とを有し、前記少なくとも１つの超格子は複数のレイヤー群を有する。各レイヤー群は、結晶格子を有するベース半導体部分を画成する複数の積層されたベース半導体モノレイヤー、隣接し合うベース半導体部分の結晶格子内に拘束された少なくとも１つの非半導体モノレイヤー、及びスピントロニクスドーパントを有し得る。さらに、スピントロニクスドーパントは、前記少なくとも１つの非半導体モノレイヤーによってベース半導体部分の結晶格子内に拘束され得る。ここでの開示に基づいて、その他の方法の態様も当業者に理解されることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の好適な実施形態が示された添付図面を参照しながら、本発明を更に十分に説明する。本発明は、しかしながら、数多くの異なる形態で具現化され得るものであり、ここで説明される実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、ここでの開示を完全なものとし、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるために提示されるものである。全体を通して、似通った参照符号は似通った要素を参照するものとする。
【００１８】
先ず、図６のＡ及びＢを参照して、本発明の第１実施例を説明する。図６（Ａ）に概略的に示したＤＦＨ構造２０において、例えばＭｎ等の遷移金属を含むＳｉ超格子に酸素が含められている。図６（Ｂ）のエネルギー準位図２１にて見て取れるように、Ｍｎは酸素の層に近付くほど低いエネルギーを有する。言い換えると、Ｍｎ原子がシリコン原子にくっつくと、この構造はエネルギー的に最も好ましいものとなり、Ｍｎ原子はシリコン内で適切に位置付けられ、拘束される。当業者に認識されるように、酸素原子に対してＭｎ原子を相対的に位置付けることは、例えば、キュリー温度（Ｔｃ）を調整するために使用され得る。例えば、２Ｄの拘束系ではＴｃは常温よりも遙かに高くなり得る。酸素を含むＤＦＨ構造２０は、有利なことに、従来構造よりも熱的に安定である。
【００１９】
Ｍｎは、例えば、シリコン単結晶構造内に小さい応力しか置換的に導入しない。Ｍｎはスピントロニクスデバイスに好適な遷移金属の一例である。当業者に認識されるように、例えばＦｅやＣｒ等のその他の物質が同様に用いられてもよい。例えば希土類ランタニド等の希土類元素も用いられ得る。
【００２０】
酸素に代えて、あるいは酸素に組み合わせて、その他の物質が用いられてもよい。例えば、窒素、フッ素、炭素−酸素、及び硫黄は好適物質である。また、例示的にＳｉの形としたベース半導体は、ＩＶ族半導体、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、及びＩＩ−ＶＩ族半導体から選択された半導体とし得る。当然ながら、用語ＩＶ族半導体はＩＶ−ＩＶ族半導体を含む。
【００２１】
ＤＦＨ構造２２の様々な層の電荷及びスピンの密度と、Ｓｉ単結晶超格子内にＭｎに加えて酸素を組み込むこととを図７に概略的に示す。層１は、層６及び層１６というその他の層とは対照的に、導電状態にあるように図示されている。
【００２２】
シリコン格子内に酸素とともに組み込まれた遷移金属（例えば、Ｍｎ）を含む概略的な原子モデル２５を図８に示す。図９を参照するに、スピンアップ（spin-up）エネルギー状態２７（上図）と、スピンダウン（spin-down）エネルギー状態２８（下図）が示されている。スピンアップエネルギー図２７は、当業者に認識されるように、また、スピンダウン図２８の場合のフェルミ準位における高いエネルギー状態とは対照的に、フェルミ準位において低いエネルギー状態のために電流が流れることを指し示している。
【００２３】
更に図１０のＡ−Ｃをも参照するに、様々なＳｉ−Ｍｎ−Ｏ構造の相対的なエネルギーが概略的に示されている。より具体的には、隣接し合うＭｎ原子間に酸素原子を有する図１０（Ａ）に示した構造３１は最も低い安定性を示し、一対のＭｎ原子から離れた酸素原子を有する図１０（Ｂ）に示した構造３２は中間の安定性を示し、一対のＭｎ原子の一方に結合された酸素原子を有する図１０（Ｃ）に示した構造３３は最も高い相対的な安定性を示す。
【００２４】
一部の実施形態において、スピントロニクスデバイスは、少なくとも１つの超格子と、それに結合された少なくとも１つの電気コンタクトとを有し、この少なくとも１つの超格子は複数のレイヤー群を有する。各レイヤー群は、結晶格子を有するベース半導体部分を画成する複数の積層されたベース半導体モノレイヤー、隣接し合うベース半導体部分の結晶格子内に拘束された少なくとも１つの非半導体モノレイヤー、及びスピントロニクスドーパントを有し得る。ベース半導体部分は、例えば、５層から３０層のモノレイヤーを有する。スピントロニクスドーパントは、上記少なくとも１つの非半導体モノレイヤーによって、ベース半導体部分の結晶格子内に拘束され得る。従って、スピントロニクスドーパントの脱落の可能性を低減しながら、比較的高いスピントロニクスドーパント濃度を達成・維持し得る。例えば、スピントロニクスドーパントの濃度は約０．１−１０％の範囲内にし得る。
【００２５】
スピントロニクスドーパントは、上記少なくとも１つの非半導体モノレイヤーに隣接する少なくとも１つのスピントロニクスドーパントモノレイヤーを有し得る。例えば、エネルギー準位がスピントロニクスドーパントの非半導体への引き付け及び保持に有利に作用する場合、そうであり得る。
【００２６】
例えば電荷キャリアの移動度を高めるようにエネルギーバンド修正を達成するための、シリコン及び酸素を含む超格子構造に関する更なる詳細が、例えば本願出願人の米国特許第６８９１１８８号及び第７１５３７６３号の明細書に記載されている。なお、参照することにより、それらの内容全体をここに援用する。理論に囚われたくはないが、出願人は、ここで説明されるスピントロニクスデバイスによれば、当業者に認識されるように、非半導体モノレイヤーが、特に後続の如何なる熱処理工程中にも、スピントロニクスドーパントが脱落しないように、該ドーパントを収集するように、あるいは少なくとも封じ込めるように作用し得ることを理論化する。一部の実施形態において、スピントロニクスドーパントは原子層堆積法によって添加されてもよい。他の実施形態においては、例えば、スピントロニクスドーパントはイオン注入によって添加され、必要に応じて、その後にアニールされてもよい。その間、非半導体モノレイヤーは該ドーパントを少なくとも封じ込めるように作用する。
【００２７】
非半導体モノレイヤーは当初、非連続的に形成されてもよい。すなわち、例えば、非半導体モノレイヤーは当初、シリコン格子内の酸素を受け入れ可能な全ての位置が充たされていなくてもよい。また、出願人は、やはり理論には囚われたくないが、モノレイヤーの原子層堆積（ＡＬＤ）は、特にその後に熱処理に晒されるとき、明確に規定された、あるいは正確に規定されたモノレイヤーではなく、原子レベルでのクラスターを形成する傾向にあることを理論化する。例えば、超格子は場合により、シャロー・トレンチ・アイソレーション（ＳＴＩ）の形成の前に形成され、それ故にＳＴＩ形成時に熱処理に晒される。
【００２８】
従って、モノレイヤーという用語は、当業者に認識されるように、この理論化されたクラスター形成現象にも及ぶものであり、正確な数学的あるいは原子的なスティックモデルレイヤーに限定されるものではない。出願人はまた、理論に囚われたくはないが、クラスター形成現象は、スピントロニクスドーパントとともに、特にＭｎがＯに引き付けられる例えばＳｉ−Ｏ−Ｍｎ等の材料の組み合わせの場合に発生すると考えられ得ることを理論化する。
【００２９】
ここで説明される原理を更に拡張するに、一部の実施形態において、超格子の反復構造は必要とされないことがある。言い換えると、スピントロニクスデバイスは、結晶格子を有するベース半導体部分を画成する複数の積層されたベース半導体モノレイヤー、結晶格子内に拘束された少なくとも１つの非半導体モノレイヤー、及び上記少なくとも１つの非半導体モノレイヤーによってベース半導体部分の結晶格子内に拘束されたスピントロニクスドーパントを有していてもよい。スピントロニクスデバイスはまた、ベース半導体部分に結合された電気コンタクトを含んでいてもよい。
【００３０】
次に図１１をも参照して、スピントロニクス電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）４０の形態をしたスピントロニクスデバイスの一例を説明する。スピントロニクスＦＥＴ４０は、例示的に、半導体基板４１を含んでおり、半導体基板４１は、空間的に相隔てられてソース４３とドレイン４４とを規定する一対の超格子、ソースとドレインとの間のチャネル４５、及びチャネルに隣接するゲート５０を担持している。ゲート５０は、誘電体層５２と、その上のゲート電極又はゲートコンタクト５１を含んでいる。
【００３１】
説明を明瞭にするため、ソース４３及びドレイン４４は、反復的な超格子群を概略的に表す水平方向に延在する複数の直線を用いて示し、スピントロニクスドーパントはドットで表す。ソースコンタクト４６及びドレインコンタクト４７が、例示的に、それぞれソース４３及びドレイン４４に結合されている。チャネル４５も例示的に超格子の形態をしているが、スピントロニクスドーパントを有していない。他の実施形態においては、当業者に認識されるように、チャネルは超格子である必要はない。更に他の実施形態においては、ソース又はドレインの一方のみが超格子であってもよい。
【００３２】
スピントロニクスデバイスの他の一実施形態は、図１２をも参照して説明されるスピンバルブ６０である。スピンバルブ６０もまた半導体基板６１を含んでおり、半導体基板６１は、その上面に、スペーサ６６を介して空間的に相隔てられた一対の超格子６２、６３を担持している。超格子６２、６３には、それぞれの電気コンタクト６４、６５が結合されている。当業者に認識されるように、超格子６２、６３の一方はピン止め（pinned）されるように、あるいは硬質強磁性領域となるように構築される一方で、他方は軟質強磁性領域にされてもよい。
【００３３】
方法の一態様は、スピントロニクスデバイスを製造する方法であり、少なくとも１つの超格子を形成する工程と、該超格子に結合される少なくとも１つの電気コンタクトを形成する工程とを有し、この少なくとも１つの超格子は複数のレイヤー群を有する。各レイヤー群は、結晶格子を有するベース半導体部分を画成する複数の積層されたベース半導体モノレイヤー、隣接し合うベース半導体部分の結晶格子内に拘束された少なくとも１つの非半導体モノレイヤー、及びスピントロニクスドーパントを有し得る。また、スピントロニクスドーパントは、上記少なくとも１つの非半導体モノレイヤーによって、ベース半導体部分の結晶格子内に拘束され得る。ここでの教示に基づいて、当業者にはその他の方法の態様も理解されるであろう。
【００３４】
ここで説明されたスピントロニクスデバイスは、スピントロニクスＦＥＴ及びスピンバルブを含めて、当業者に認識されるように、超格子の反復構造を用いずに構成されてもよい。ここで説明された材料は、特に、界面での材料の相性の適合性に拠るものと考えられるスピンキャリアの注入効率の向上のため、数多くのスピントロニクスデバイスにて使用され得る。デバイスの熱的安定性も大幅に向上する。これは、酸素が結晶格子内に保持され、Ｍｎが酸素原子の隣で熱的に安定になることに拠るものと考えられる。スピントロニクス分野における一般的な参考文献には、更に、ＰａｒｋらによるＳｃｉｅｎｃｅ誌２９５巻の６５１頁の論文（２００２年）、ＱｉａｎらによるＰｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９６巻の０２７２１１頁の論文（２００６年）、及び大野らによるＮａｔｕｒｅ誌４０２巻の７９０頁の論文（１９９９年）がある。
【００３５】
以上の説明及び添付図面にて提示された教示の恩恵を受けた当業者は、数多くの変更及び本発明のその他の実施形態に想到するであろう。故に、本発明はここで開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、このような変更及び実施形態は本発明の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１Ａ】低抵抗状態にある従来技術に係るスピンバルブを示す概略図である。
【図１Ｂ】高抵抗状態にある図１Ａの従来技術に係るスピンバルブを示す概略図である。
【図２】従来技術に係るスピンＦＥＴを概略的に示す斜視図である。
【図３】従来技術に係る量子ビットデバイスを示す概略図である。
【図４Ａ】従来技術に係る磁性材料を示す概略図である。
【図４Ｂ】従来技術に係る希釈磁性材料を示す概略図である。
【図４Ｃ】従来技術に係る非磁性材料を示す概略図である。
【図５】従来技術に係るディジタル強磁性ヘテロ構造を概略的に示す原子図である。
【図６】Ａ及びＢは、それぞれ、本発明に従ったＤＦＨを示す概略図及び該ＤＦＨのエネルギー準位図である。
【図７】本発明に従ったＤＦＨ構造を概略的に示す原子図である。
【図８】本発明に従ったスピントロニクスデバイス用の超格子の一部を概略的に示す原子図である。
【図９】図８に示した超格子に関する結合エネルギー図である。
【図１０】Ａ−Ｃは、本発明に従ったスピントロニクスデバイスにおけるＳｉ、Ｏ及びＭｎの相対原子位置を概略的に示す原子図である。
【図１１】本発明に従ったスピントロニクスＦＥＴを概略的に示す断面図である。
【図１２】本発明に従ったスピンバルブを概略的に示す断面図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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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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【国際調査報告】
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