(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性ベース層またはゲートと、
前記強磁性ベース層を覆う磁性酸化物層と、
電子線エピキタシ、化学蒸着または物理蒸着によって、前記磁性酸化物層に直接成長されたグラフェンの層と、
共に前記グラフェン層と電気的に接触した、分離したソース及びドレインと、
を含むコヒーレントスピン電界効果トランジスタ（コヒーレントスピン−ＦＥＴ）であって、
前記強磁性ベース層内の偏極が非強磁性的であったとしても、前記強磁性ベース層を覆う前記磁性酸化物層及び隣接した前記グラフェン層内の層のイオンの偏極は、それらの層内で強磁性的である、コヒーレントスピン−ＦＥＴ。
【請求項２】
前記磁性酸化物層が、Ｃｏ３Ｏ４、Ｆｅ３Ｏ４、ＣｏＦｅ２Ｏ４、Ｃｒ２Ｏ３及びＢａＦｅ２Ｏ４からなる群から選択される酸化物で構成される、請求項１に記載のコヒーレントスピン−ＦＥＴ。
【請求項３】
強磁性ゲートが、容易に切換可能な磁気偏極の軸を有し、低い保磁場を有し、そして、２４゜Ｃで強磁性的である、請求項１に記載のコヒーレントスピン−ＦＥＴ。
【請求項４】
前記ゲートが、基板上に堆積されたコバルトで構成され、前記磁性酸化物層が、１０モノレイヤ(ML)未満の厚みのＣｏ３Ｏ４で構成され、そして、前記グラフェンが、３モノレイヤ(ML)だけの厚みであるコヒーレントスピン−ＦＥＴであって、前記ソース及びドレインが、コバルトで構成される、請求項１に記載のコヒーレントスピン−ＦＥＴ。
【請求項５】
前記磁性酸化物層が、クロム酸化物である請求項２に記載のコヒーレントスピン−ＦＥＴ。
【請求項６】
前記ソース及びドレインが、クロム酸化物を含む請求項２に記載のコヒーレントスピン−ＦＥＴ。
【請求項７】
前記強磁性ベース層がコバルトを含み、前記磁性酸化物層がクロム酸化物を含む請求項２に記載のコヒーレントスピン−ＦＥＴ。
【請求項８】
前記基板が、アルミニウム酸化物、砒化ガリウムまたはシリコンを含む請求項４に記載のコヒーレントスピン−ＦＥＴ。
【請求項９】
前記基板がシリコンを含む請求項８に記載のコヒーレントスピン−ＦＥＴ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権データ及び参照による組み込み
本出願は、２０１２年１月５日に出願された米国特許出願番号第13/343,970号に基づく優先権の利益を主張するもので、その全体が参照により組み込まれる。
【０００２】
本特許出願の主題は、連邦政府又は州の資金提供なしに開発された。本明細書に名前が挙げられる両発明者は、様々な会社組織からの支援の受益者であり、大学に雇用され、そこで、様々な基板上でのグラフェンの直接成長によって形成される材料の開発及び特性評価を含む主題について研究をしているが、本明細書に開示され、請求される主題の開発では、大学の時間、報酬若しくは装置を、利用せず、関係させず、又は、それらに依拠しなかった。
【０００３】
発明の分野
技術分野
本発明は、スピン電界効果トランジスタつまりスピン−ＦＥＴと呼ばれることもある、非局所スピンバルブの開発に関する。周囲温度で動作可能なスピン−ＦＥＴは、低い消費電力で、高感度な、小さな空間での大きなデータストレージといった利点をもたらす。スピン−ＦＥＴは、データの保存を維持するために一定の電流の印加を必要としない不揮発性ソリッドステートデータストレージをもたらす。したがって、スピン−ＦＥＴは、磁気ランダムアクセスメモリつまりＭＲＡＭの開発で使用可能な魅力的な技術である。また、スピン−ＦＥＴは、論理素子、つまり論理スピン組み合わせ素子に応用される。Richter et al, Appl. Phys. Lett., 80 1291 (2002)。このような進歩の最も些細な効果のうち、容易に理解されるものは、今日多くのパーソナルコンピュータが配置されるように、アップロード前に記憶されたデータベースを参照する必要のない演算装置を提供できることである。このような進歩は、「インスタントオン」機能、すなわち、不揮発性メモリ及び論理回路をもたらす。
【０００４】
技術の背景
スピン−ＦＥＴは、おそらく、１９９０年に望ましい構成素子として最初に説明された（Datta et al, Appl. Phys. Lett., 56, 665 (1990)）。これらの素子は、ソースからドレインへと向かう電子のスピン偏極を媒介及び制御するために使用される非磁性層を想定する。様々な分野材料が、長年に渡り提案されてきた。説明されたような理論的スピン−ＦＥＴによってもたらされる機能に到達する手段として、本分野のほとんどの集中的な努力は、スピン注入に向けられてきた。その努力にもかかわらず、スケーラブルで、そして、低消費電力で信頼性の高い、室温スピン−ＦＥＴは未だに提供されていない。
【０００５】
あるアプローチでは、基板と垂直な、制御された磁化を提供するために、ＧａＡｓといった半導電性基板上にコバルトの薄層を堆積させる手法が開発された。Bournel et al, Physics E, 10, 86-90 (2001)。最終的に、この研究者たちは、強磁性体／半導体接触域のための安定した垂直な磁化を確保することができなかったが、研究は、砒化ガリウム及びシリコンといった半導体上に、酸化Ｃｏの薄層を成長させる手法を示した。スピン−ＦＥＴの供給に対する研究が継続するにつれて、結果として生じた技術を既存の材料に適合させる手法が益々重要となるであろう。
【０００６】
概要
本発明は、酸化物などの磁気的に偏極可能な電気絶縁又は半導電性基板上へ直接堆積されるグラフェンに基づいた、ベース強磁性層上に形成され有効界面スピン偏極を有する酸化物誘電体を含んだ新規なタイプの非局所スピンバルブ、つまりスピン電界効果トランジスタ（スピン−ＦＥＴ）に属する。本質的には、基板の偏極が、上部界面及び下部界面の両方で酸化物誘電体の遷移金属イオンの偏極を生じさせ、続いてグラフェン価電子帯／伝導帯電子の偏極を引き起こす。磁気的に偏極可能な適切なソース及びドレイン電極を使用することで、誘電体酸化物によって狭い伝導チャネルに当たるものから分離した底部ベース強磁性層によりゲート制御された、低電力で、高いオン／オフ比のスピン−ＦＥＴを構成することができる。このスピン−ＦＥＴの例が、図１に示される。
【０００７】
この新規又は非局所スピン−ＦＥＴを開発する際、本説明に拘束されることを出願人が望むわけではないが、ベース層つまりゲートの強磁性体の偏極が、上部及び下部界面で磁性酸化物の金属イオンを偏極させるために有効である。グラフェン伝導チャネルと密接する上部界面で、これらのイオンは、グラフェン価電子帯／伝導帯電子と交換相互作用することになる。このような「近接偏極」は、グラフェンに対して予見されている[1]。強いイオン／伝導電子交換相互作用は、不純物添加酸化物量子ドットで観察されており、閉殻系で磁気的挙動を生じさせる[2-4]。
【０００８】
基本的には、ＦＥＴ動作において、ソース及びドレインの偏極がグラフェンの偏極と同方向であるとき、ソースとドレインの間に低い非局所抵抗（高電流）が存在する。ベース層（つまりゲート）の偏極の切換は、グラフェンの偏極を変化させ、グラフェンの偏極がソース又はドレインの偏極と一致しなくなる場合には、非局所抵抗が非常に高くなる。この動作が、非局所スピンバルブ、つまりコヒーレントスピン−ＦＥＴの基盤を提供する。
【０００９】
Tombros, et al[5]及びCho, et al.又はHan, et al.[6,7]によって示されるような、「従来の」グラフェンに基づくスピンバルブ（図２）では、偏極した電極からのグラフェン注入が、アルミナ又はマグネシアといったトンネル障壁を通過して発生する[8]。電子は、グラフェン内を移動する際に、外部印加磁場によって偏極する。したがって、スピン密度は、古典的拡散速度論によって特徴づけられ、グラフェンの長いスピン拡散長に基づき [5]、そして、グラフェンの粒界密度によって、更に（ＳｉＯ２の場合には）電子流動度を制限するシリカ／グラフェンフォノン相互作用によって、制限される[5,9]。これらの、基板フォノン干渉及び粒界密度といった理由のため、従来のグラフェンに基づくスピンバルブの室温における性能（すなわち非局所抵抗）は、期待に反し、実用的な素子応用には不十分であった[5-7]。
【００１０】
これに対し、本発明のコヒーレントスピン−ＦＥＴの特性は、示されるように、酸化物伝導電子と酸化物カチオン間の磁気交換相互作用が結果として磁気ポーラロンを形成するという事実に由来し（図３ａ）、イオン／伝導電子交換相互作用が、基底状態に対して磁気ポーラロンを安定化する（図３ｂ）。この場合、個々の電子よりもむしろ、伝導帯波動関数自体が偏極するので、本発明者はこのようなスピン伝導をコヒーレントと名付ける。したがって、グラフェンの磁気ポーラロン伝導は、グラフェン粒界密度に比較的に影響されないはずである。更に、スピン緩和の方法及び他のフォノン媒介減衰経路が比較的少ないため、このような交換相互作用は、室温を超えて持続する。更に、強磁性ゲートが室温を超えて偏極を保持する場合、素子は残留磁気で動作するはずなので、グラフェン電子の偏極を維持するために、印加された外部磁場を必要としない。
【００１１】
本明細書に組み入れられ、その一部を構成する添付図面は、本発明の例示的な実施形態を示し、上記の概要及び下記の詳細な説明と共に、本発明の特徴を明らかにする役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】磁気的に偏極可能な酸化物上へのグラフェンの直接成長に基づいた、提案される非局所スピン電界効果トランジスタ（スピン−ＦＥＴ）の概略図である。
【図２】グラフェン層を通過する個々のスピン偏極電子の拡散に基づいた、（Tombros, et al.による）グラフェンに基づく非局所スピンバルブである。
【図３】磁気ポーラロン形成の略図である。（ａ）Ｃｏ＋２イオンによるグラフェン伝導帯電子の整列が、伝導電子の偏極を生み出す。（ｂ）この偏極は、交換相互作用によって安定化した、磁気ポーラロンの形成、及び（ｃ）電界効果を試験するためのスピン電界効果トランジスタ（スピン−ＦＥＴ）形状によるものであり、この効果は、３００Ｋであっても低電流、高いオン／オフ比の非局所抵抗をもたらす。
【００１３】
発明の詳細な説明
初めに図１の略図を参照にして、この図が「従来の表現」であり、想定される最終的な適用に応じて構造及び寸法が修正されるという認識の下、本発明のコヒーレントスピン−ＦＥＴのそれぞれの層の形成を説明する。この説明は、示されるような、領域自体の解説から開始するのが最良である。
【００１４】
グラフェン
このフィルムは、(111)配向の、ｓｐ２炭素（グラフェン）からなる必要があり、電荷移動といったポテンシャル酸化物／グラフェン相互作用を制御するために必要に応じて、単一の層又は数層のいずれかとなる[10,11]。この層を、分子線エピタキシ、又は、化学若しくは物理蒸着によって堆積させることができる。
【００１５】
基板上へのグラフェンの堆積は、米国特許出願番号第12/543,053号及び米国特許出願番号第12/980,763号にかなり詳細に説明されており、その両方が参照により本明細書に包含される。数層グラフェン堆積の制御の更なる進歩は、米国特許仮出願番号第61/490,650号及び第61/497,971号に提供され、その両方が参照により本明細書に組み込まれる。ＭＢＥによるグラフェンの制御された直接成長（グラファイト棒ソースからの炭素分子線エピタキシ（ＭＢＥ）による、１０００ＫでのＣｏ３Ｏ４(111)上への肉眼で見える程度に連続したグラフェンシートの層ごとの成長）は、米国特許仮出願番号第61/522,600号に詳細に説明される。この係属中の出願の開示は、参照により本明細書に組み込まれる。組み込まれる出願に説明されるいずれの方法も、制御された分子線エピタキシを選択して、グラフェン領域を形成するために使用することができる。
【００１６】
磁性酸化物、ソース及びドレイン
この材料は、強磁性ゲート層からグラフェンを電気的に絶縁し、そして、磁性酸化物のカチオンの偏極を介して、グラフェン価電子／伝導電子を偏極させる。有力な候補としては、Ｃｏ３Ｏ４(111)、Ｆｅ３Ｏ４(111)、ＮｉＯ(111)、場合によっては、ＣｏＦｅ２Ｏ４(111)などのスピネル、及び、Ｃｒ２Ｏ３(111)、ＢａＦｅ２Ｏ４が挙げられる。重要な特徴は、グラフェンに隣接したイオン層内の偏極である（図１）。酸化物の隣接するイオン層が互いに反強磁性的に偏極する場合であっても、イオンの偏極は、グラフェン及びグラフェンに隣接したイオン層それぞれの層内では、強磁性的でなければならない。グラフェン電子を偏極させるために、表層での均一な強磁性偏極が必要である。更に、偏極の方向が重要である。酸化物イオンが表面に平行な方向に偏極する場合、グラフェンは同様に偏極し、そして、ソース及びドレインも同様に偏極しなければならない。この場合、適切なソース／ドレイン材料として、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ又は様々な合金を挙げることができる。しかしながら、酸化物カチオンが表面と垂直に偏極する場合、ソース及びドレインは、平面に垂直な磁化容易軸を有すべきで、そして、パーマロイ、Ｃｏ−Ｐｄ合金及び多層膜、Ｃｏ−Ｐｔ合金及び多層膜、Ｆｅ−Ｐｔ合金及び多層膜、いくらかのＬ１ｏ型強磁性化合物などの、材料で製作されるべきである。また、類似したニッケル−鉄合金、及び、モリブデンパーマロイなどのトリブレンドを使用することもできる。
【００１７】
ＮｉＯ(111)は、ＭｇＯ(111)と同じ岩塩型構造を有するため、米国特許出願番号第12/980,763号に記載されるように、グラフェンの堆積は、酸化物の再構成をもたらすことができ、グラフェンのＡサイト及びＢサイトの化学的等価性を破壊し[12]、ディラック点でのＨＯＭＯ／ＬＵＭＯ等価性を除去し、そして、バンドギャップを開くことに留意すべきである。グラフェン支持材料のバンドギャップポテンシャルの展開は、スピントロニクス適合性の保護に加え、重要な電子的な利点を提供することができる。
【００１８】
強磁性ゲート
この層は、容易に切換可能で、理想的には多機能論理ゲートのための弱い保磁場を有する磁気偏極の軸を有し、そして、室温で強磁性的でなければならない。適切な材料としては、Ｃｏ、Ｎｉ又はＦｅが挙げられる。
【００１９】
実施例
本発明のコヒーレントスピン−ＦＥＴを準備するために、サファイヤ（酸化アルミニウム(0001)）基板を、堆積のために準備する。堆積の様々なターゲットで切り換えて、チャンバ間の移動を減少させ生産性を向上させるために、電子ビーム蒸発器を使用することができる。したがって、ＵＨＶ中７５０゜Ｋで、基板上に、従来の条件の下、コバルトの５０オングストロームの層を堆積させることができる。この堆積後、溶存酸素の表面偏析及びＣｏ３Ｏ４(111)の薄層（２MLから５MLの厚みにすることができる）の展開をもたらす１０００Ｋでの酸化アニールが続く。１０００゜Ｋで分子線エピタキシを使用して、グラフェン（２ML又は３ML）をＣｏ３Ｏ４上に堆積させ、約３MLの厚みの肉眼で見える程度に連続したグラフェンフィルムを形成する。グラフェンを、開示されるように、ＣＶＤ及びＰＶＤ処理によって堆積させることもできるが、ＭＢＥが好ましい。これは、ＭＢＥ法に対する細かい制御及び発展した情報のためだけでなく、ＭＢＥ法が、本発明のコヒーレントスピン−ＦＥＴの形成における他の処理ステップと、互換性を有するためである。これにより、高い生産性がもたらされる。
【００２０】
この実施例では、コヒーレントスピン−ＦＥＴは、Ｃｏソース及びドレインの適用によって完成し、使用する装置に接続される。磁化と同時に、コヒーレントスピン−ＦＥＴは、安定し、室温をかなり上回る温度で、低消費電力で非常に高いオン／オフ比を呈す。したがって、図１を参照にすると、準備したコヒーレントスピン−ＦＥＴは、酸化コバルト（Ｃｏ３Ｏ４）の絶縁層と共に、コバルトのゲートを含む。グラフェンの数MLの層が、Ｃｏソース及びドレインと共に、磁性酸化物を覆って堆積する。装置への場の適用は、室温で動作可能な、永続的で、低電力そして高いオン／オフ比の、スピン−ＦＥＴを供する。結果として得られるコヒーレントスピン−ＦＥＴは、選択された材料及び条件に応じて、１秒につき少なくとも１０７から１０８のオン／オフレート（又は切換速度）を供する。
【００２１】
【表１】
0005695807.tif 000002
0005695807.tif 000003
【００２２】
本発明が、一般的に、そして、特定の実施形態及び実施例を参照にして、開示されたが、下記の請求項に反映されない限り、これらの代替物を制限することを意図するものではない。本発明は、請求項の規定、及び、本出願が目的とする技術の当業者によって認識されるようなそれらの等価物、によってのみ限定される。
【図１】
0005695807.tif 000004
【図２】
0005695807.tif 000005
【図３】
0005695807.tif 000006