(57)【要約】  スピントランジスタ及びその駆動方法を開示する。開示されたスピントランジスタは、特定方向のスピン分極された電子を選択的に通過させる磁性物質で形成されたチャネルと、磁性物質で形成されたソースと、ドレインとゲート電極とを備える。該ゲート電極に所定電圧を印加すれば、該チャネルは特定方向にスピン分極された電子のみを選択的に通過させ、したがって、トランジスタは選択的にターンオンされる。
2011503867.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定方向にスピン分極された電子を選択的に通過させる磁性物質で形成されたチャネルと、
磁性物質で形成されたソースと、
ドレインと、
前記ソースから前記チャネルに注入される電子を選択的に通過させるためにチャネルの磁化状態を制御するゲート電極と、を備えたスピントランジスタ。
【請求項２】
前記ゲート電極に印加された電圧により発生する電場で前記チャネルを制御して、前記ソースから注入されるスピン分極された電子の通過を制御する請求項１に記載のスピントランジスタ。
【請求項３】
前記ゲート電極と前記チャネルとを電気的に分離する絶縁物質をさらに備える請求項２に記載のスピントランジスタ。
【請求項４】
前記ゲート電極に流れる電流により発生する磁場で前記チャネルを制御して、前記ソースから注入されるスピン分極された電子の通過を制御する請求項１に記載のスピントランジスタ。
【請求項５】
前記ゲート電極に対して電気的に絶縁され、前記ゲート電極と交差して形成された第２ゲート電極をさらに備える請求項４に記載のスピントランジスタ。
【請求項６】
前記チャネルと前記ソースとの間、及び前記チャネルと前記ドレインとの間のうち選択された少なくとも一つに形成されたトンネルバリアをさらに備えた請求項１に記載のスピントランジスタ。
【請求項７】
前記トンネルバリアは、
前記チャネルと前記ソースとの間の第１トンネルバリアと、
前記チャネルと前記ドレインとの間の第２トンネルバリアと、を備えた請求項６に記載のスピントランジスタ。
【請求項８】
前記ソースは、
前記第１トンネルバリア上の強磁性層と、
前記強磁性層上のメタル層と、を備えた請求項７に記載のスピントランジスタ。
【請求項９】
前記ソースは、前記強磁性層と前記メタル層との間に形成された反強磁性層をさらに備えた請求項８に記載のスピントランジスタ。
【請求項１０】
前記ドレインは、前記第２トンネルバリア上の磁性層及び前記磁性層上のメタル層を備えた請求項６に記載のスピントランジスタ。
【請求項１１】
前記ドレインの前記磁性層は、強磁性層である請求項１０に記載のスピントランジスタ。
【請求項１２】
前記ドレインは、前記強磁性層と前記メタル層との間に、反強磁性層をさらに備えた請求項１１に記載のスピントランジスタ。
【請求項１３】
前記トンネルバリアは、酸化マグネシウムまたはアルミニウム酸化物で形成された請求項６に記載のスピントランジスタ。
【請求項１４】
前記チャネルは、強磁性物質で形成された請求項１に記載のスピントランジスタ。
【請求項１５】
前記強磁性物質は、ハーフメタルである請求項１４に記載のスピントランジスタ。
【請求項１６】
前記ハーフメタルは、磁性酸化物、磁性二重ペロブスカイト構造物質、磁性ホイスラー合金、磁性半ホイスラー合金及びハーフメタル性質を持つ半導体のうち選択された少なくともいずれか一つの物質で形成された請求項１５に記載のスピントランジスタ。
【請求項１７】
前記磁性酸化物は、ＣｒＯ２、Ｆｅ３Ｏ４、ＮｉＯ、及びＴｉＯ２からなる群のうち選択されたいずれか一つである請求項１６に記載のスピントランジスタ。
【請求項１８】
前記磁性二重ペロブスカイト構造物質は、化学組成は、Ａ２ＢＢ’Ｏ６で表現され、Ａは、Ｃａ、Ｓｒ、及びＢａのうち選択された少なくともいずれか一つであり、Ｂは、ＦｅまたはＣｏであり、Ｂ’は、ＭｏまたはＲｅである請求項１６に記載のスピントランジスタ。
【請求項１９】
前記磁性ホイスラー合金は、Ｘ２ＹＺ、Ｘ２ＹＺ’、Ｘ２Ｙ’Ｚ、及びＸ２Ｙ’Ｚ’からなる組成のうち選択された少なくとも一つからなり、Ｘは、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＲｕのうち選択された少なくともいずれか一つであり、Ｙは、Ｃｒ、及びＭｎのうち一つであり、ＺはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｂ、及びＰｂのうち一つである請求項１６に記載のスピントランジスタ。
【請求項２０】
前記磁性半ホイスラー合金は、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｄＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂ、ＣｏＭｎＳｂ、ＩｒＭｎＳｂ、ＮｉＣｒＳｂ、ＦｅＭｎＳｂ、ＣｏＣｒＳｂ、ＮｉＶＳｂ、ＣｏＶＳｂ、ＣｏＴｉＳｂ、ＮｉＭｎＳｅ、ＮｉＭｎＴｅ、ＣｏＦｅＳｂ、ＮｉＦｅＳｂ、及びＲｈＭｎＳｂからなる群のうち選択された一つである請求項１６に記載のスピントランジスタ。
【請求項２１】
前記ハーフメタル性質を持つ半導体は、ＣｒＡｓ、ＭｎＡｓ、及びＣｒＳｅのうち一つである請求項１６に記載のスピントランジスタ。
【請求項２２】
前記チャネルは、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、及びパーマロイのうちいずれか一つの物質で形成された請求項１４に記載のスピントランジスタ。
【請求項２３】
前記チャネルは、半導体に遷移金属をドーピングして磁性を持つようにした、希釈された磁性半導体物質で形成された請求項１４に記載のスピントランジスタ。
【請求項２４】
前記希釈された磁性半導体物質は、（Ｉｎ，Ｍｎ）Ａｓ、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ、（Ｚｎ，Ｃｏ）Ｏ、（Ｚｎ，Ｖ）Ｏ、（Ｇａ，Ｍｎ）Ｎ、（Ｇａ，Ｃｒ）Ｎ、（Ｃｄ，Ｍｎ）ＧｅＰ２、（Ｚｎ，Ｍｎ）ＧｅＰ２、（Ｔｉ，Ｃｒ）Ｏ２、及び（Ｚｎ，Ｃｒ）Ｓｅのうち一つである請求項２３に記載のスピントランジスタ。
【請求項２５】
前記チャネル、前記ソース及び前記ドレインは、同じ平面上に配置された請求項１に記載のスピントランジスタ。
【請求項２６】
前記第１トンネルバリア及び前記第２トンネルバリアは、前記チャネル上で互いに離隔して形成され、前記ソース及び前記ドレインは、それぞれ前記第１トンネルバリア及び前記第２トンネルバリア上に積層された請求項７に記載のスピントランジスタ。
【請求項２７】
前記ソース、前記チャネル、及び前記ドレインが基板に対して垂直に形成された請求項７に記載のスピントランジスタ。
【請求項２８】
前記第１トンネルバリア及び前記第２トンネルバリアは、前記チャネルの対向面上に互いに対応するように形成され、前記ソース及び前記ドレインは、それぞれ前記第１トンネルバリア及び前記第２トンネルバリア上に積層され、
前記ゲート電極は、
前記チャネル上で前記ソースと離隔して形成された第１ゲート電極と、
前記チャネル上で前記ドレインと離隔して形成された第２ゲート電極と、を備えた請求項２７に記載のスピントランジスタ。
【請求項２９】
請求項１に記載のスピントランジスタの駆動方法であって、
前記ソースからスピン分極された電子を注入するステップと、
前記チャネルに電場または磁場を印加して、前記電子が選択的に通過されるように前記チャネルの磁化状態を制御するステップと、を含むスピントランジスタの駆動方法。
【請求項３０】
前記制御ステップは、前記ゲート電極に所定の電圧を印加するステップである請求項２９に記載のスピントランジスタの駆動方法。
【請求項３１】
前記制御ステップは、前記ゲート電極と前記ゲート電極と交差する第２ゲート電極とにそれぞれ所定の電流を印加するステップである請求項２９に記載のスピントランジスタの駆動方法。
【請求項３２】
前記チャネルの磁化状態によって、前記ソースから注入された前記スピン分極された電子のうち特定スピン方向の電子のみが前記チャネルを通過する請求項２９に記載のスピントランジスタの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界効果または磁界効果を利用したスピントランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子をナノスケールに製造するとき、キャリア移動度の上昇率が素子の進化について行けず、素子のサイズ減少にもかかわらずパワー（電力）要求量が減少しないという問題が発生しうる。これらの問題を解決するために、電子のスピンを利用する技術が提案されている。
【０００３】
スピントランジスタは、スピン分極された電子の移動でターンオンされる素子であって、電子の移動に必要なパワーが少なく、ターンオン速度が速い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３２９１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、チャネルを制御して注入されるスピン分極された電子の通過を制御するスピントランジスタを提供することを目的とする。
【０００６】
また、本発明は、スピントランジスタの駆動方法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】
【０００７】
本発明の一実施形態によるスピントランジスタは、特定方向にスピン分極された電子を選択的に通過させる磁性物質で形成されたチャネルと、磁性物質で形成されたソースと、ドレインと、前記ソースから前記チャネルに注入される電子を選択的に通過させるためにチャネルの磁化状態を制御するゲート電極と、を備える。
【０００８】
前記ゲート電極に印加された電圧により発生する電場で前記チャネルを制御して、前記ソースから注入されるスピン分極された電子の通過を制御する。
【０００９】
本発明のスピントランジスタは、前記ゲート電極を前記チャネルから電気的に分離する絶縁物質をさらに備える。
【００１０】
本発明のスピントランジスタは、前記ゲート電極に対して電気的に絶縁され、前記ゲート電極と交差して形成された第２ゲート電極をさらに備える。
【００１１】
前記チャネルと前記ソースとの間、及び前記チャネルと前記ドレインとの間のうち選択された少なくとも一つに形成されたトンネルバリアをさらに備える。
【００１２】
前記トンネルバリアは、前記チャネルと前記ソースとの間の第１トンネルバリアと、前記チャネルと前記ドレインとの間の第２トンネルバリアと、を備える。
【００１３】
前記ソースは、前記第１トンネルバリア上の強磁性層と、前記強磁性層上のメタル層と、を備える。
【００１４】
また、前記ソースは、前記強磁性層と前記メタル層との間に形成された反強磁性層（ｓｅｍｉ−ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｌａｙｅｒ）をさらに備える。
【００１５】
前記ドレインは、前記第２トンネルバリア上の磁性層及び前記磁性層上のメタル層を備える。
【００１６】
前記ドレインの前記磁性層は強磁性層である。
【００１７】
前記ドレインは、前記強磁性層と前記メタル層との間に反強磁性層をさらに備える。
【００１８】
前記トンネルバリアは、酸化マグネシウムまたはアルミニウム酸化物で形成される。
【００１９】
前記チャネルは強磁性物質、例えば、ハーフメタルで形成される。
【００２０】
前記ハーフメタルは、磁性酸化物、磁性二重ペロブスカイト構造物質、磁性ホイスラー合金、磁性半ホイスラー合金及びハーフメタル性質を持つ半導体のうち選択された少なくともいずれか一つの物質で形成される。
【００２１】
前記チャネルは、希釈された磁性半導体物質であり、磁性の性質を得るために、遷移金属に半導体をドーピングして形成できる。
【００２２】
本発明の一態様によれば、前記チャネル、前記ソース及び前記ドレインは、同じ平面上に配置される。
【００２３】
本発明の他の態様によれば、前記第１トンネルバリア及び前記第２トンネルバリアは、前記チャネル上で互いに離隔して形成され、前記ソース及び前記ドレインは、それぞれ前記第１トンネルバリア及び前記第２トンネルバリア上に積層される。
【００２４】
本発明の更なる他の態様によれば、前記ソース、前記チャネル、及び前記ドレインが基板に対して垂直に形成される。前記第１トンネルバリア及び前記第２トンネルバリアは、前記チャネルの対向面上に互いに対応するように形成され、前記ソース及び前記ドレインは、それぞれ前記第１トンネルバリア及び前記第２トンネルバリア上に積層され、前記ゲート電極は、前記チャネル上で前記ソースと離隔して形成された第１ゲート電極と、前記チャネル上で前記ドレインと離隔して形成された第２ゲート電極と、を備える。
【００２５】
本発明に係るスピントランジスタの駆動方法は、前記ソースからスピン分極された電子を注入するステップと、前記チャネルに電場または磁場を印加して、前記電子が選択的に通過されるように、前記チャネルの磁化状態を制御するステップと、を含む。
【００２６】
本発明の一態様によれば、前記制御ステップは、前記ゲート電極に所定の電圧を印加するステップである。
【００２７】
本発明の他の態様によれば、前記制御ステップは、前記ゲート電極と前記ゲート電極と交差する第２ゲート電極とにそれぞれ所定の電流を印加するステップである。
【００２８】
前記チャネルの磁化状態によって前記ソースから注入された前記スピン分極された電子のうち特定スピン方向の電子のみが前記チャネルを通過する。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係るスピントランジスタは、従来の半導体素子に比べて移動度が上昇する。また、スピン電子の移動に必要なパワーが電子移動に必要なパワーより小さいため、作動に必要なパワーの量を低減させることができる。したがって、小型化によって相対的に小さなトランジスタの製造が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態によるスピントランジスタ１００の概略的な断面図である。
【図２】図１のスピントランジスタの概略的なエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図３】図１のスピントランジスタの概略的なエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図４】本発明の他の実施形態によるスピントランジスタ２００の概略的な断面図である。
【図５】図４のスピントランジスタの作用を説明する図面である。
【図６】本発明の更なる他の実施形態によるスピントランジスタ３００の概略的な断面図である。
【図７】本発明の更なる他の実施形態によるスピントランジスタ４００の概略的な断面図である。
【図８】本発明の更なる他の実施形態によるスピントランジスタ５００の概略的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図面は、ある例の実施形態において用いられる方法、構造、及び物質の一般的な特性を示すためのものであって、以下の説明を裏付けるためのものである。これら図面は正確に図示されたものではなく、実施形態による範囲を制限するものとして使用されてはならない。例えば、分子、層、領域、及び構造的な要素の相対的な厚さまたは位置は、明瞭にするために縮小または誇張されうる。図面で類似または同一な図面符号は、類似または同一な要素の存在を示す。
【００３２】
以下、添付した図面を参照して本発明の例示的実施形態によるスピントランジスタを詳細に説明する。この過程で図面に図示された層や領域の厚さは、明細書の明確性のために誇張して図示されたものである。図面で同じ図面符号は同じ要素を示し、反復的な説明は省略できる。
【００３３】
一つの要素が他の要素に“連結”されたということは、直接連結されるか、またはそれら間に他の要素が存在することもできるということを意味する。一つの要素が他の要素に“直接連結”されたということは、これらの間に他の要素が存在しないということを意味する。“そして／または”の用語は、これらのうち一つの要素、またはこれらが結合された要素を意味する。
【００３４】
用語“第１”または“第２”などは、いろいろな要素、領域、及び層を記述するためのものであって、これら用語に限定されない。これら用語は、単に一つの要素、領域、または層を他の要素、領域、または層と区別するためのものである。
【００３５】
空間的に相対的な用語“下、下部、上、上部”などは、一つの要素と他の要素との相対的な関係を記述するものである。空間的に相対的な用語は、デバイスが他の方向において使われる時を含む。例えば、デバイスが逆さまになれば、他の要素の“下部または下”と記載された要素は、他の要素の“上部または上”になるので、用語“下”は、上及び下を共に含むことができる。
【００３６】
ここで使われる用語は、特定の実施形態を記述するためのものであって、実施形態を限定するためのものではない。単数形態の用語は明確に表現しなければ、複数の概念を含むことがある。“備える”という用語は、他の構成要素を含むことを排除しない。
【００３７】
実施形態を説明するための断面図は、理想的な実施形態の概略的な図面（中間構造）である。したがって、製造時に図面からの変形は予想できる。したがって、実施形態はここで図示された領域に限定されない。例えば、インプラント領域は方形であってもラウンド処理された形状であることができ、インプラント領域とインプラントされていない領域とは二元的に区分されるものではなく、順次にインプラント濃度が変わるものである。
【００３８】
ここで使われたあらゆる用語は特別に定義しない場合、当業者が共通的に理解する意味として使われる。
【００３９】
図１は、本発明の一実施形態によるスピントランジスタ１００の概略的な断面図である。
【００４０】
図１を参照すれば、基板１０２上に絶縁層１０４及びゲート電極１１０が形成されている。基板１０２は、通常のシリコン基板であり、絶縁層１０４は、シリコン酸化物で形成できる。ゲート電極１１０は、アルミニウム（Ａｌ）またはポリシリコンで形成できる。
【００４１】
ゲート電極１１０上に、ゲート酸化物層１１２及びチャネル１２０が順次に形成されている。チャネル１２０上には、互いに離隔したソース１３０及びドレイン１４０が形成されている。ゲート酸化物層１１２は酸化シリコンで形成できる。
【００４２】
ソース１３０とドレイン１４０との間には、絶縁層１５０がさらに形成されうる。
【００４３】
チャネル１２０とソース１３０との間には、第１トンネルバリア１３２が形成され、チャネル１２０とドレイン１４０との間には、第２トンネルバリア１４２が形成されうる。第１トンネルバリア１３２及び第２トンネルバリア１４２は、互いに連結されるように単層で形成できる。第１トンネルバリア１３２及び第２トンネルバリア１４２は、ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ）素子で両側の磁化層の間に配される物質と同じである。例えば、ＭｇＯ、アルミニウム酸化物（ＡｌＯｘ）、例えば、Ａｌ２Ｏ３が使われうる。特に、トンネルバリアの材料としてＭｇＯを使用する時、高いＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）比を得ることができる。
【００４４】
ソース１３０は、磁性物質、例えば、強磁性物質で形成できる。ソース１３０は、第１トンネルバリア１３２上の強磁性層１３４と、強磁性層１３４上のメタル層１３８とを備えることができる。また、ソース１３０は、強磁性層１３４とメタル層１３８との間に、反強磁性層１３６をさらに備えることもできる。
【００４５】
強磁性層１３４は、ソース１３０へのスピン分極された電子の注入を容易にする。
【００４６】
反強磁性層１３６は、強磁性層１３４のスピン分極された電子のスピン方向を固定する。
【００４７】
ドレイン１４０は一般的な金属で形成できる。また、ドレイン１４０は磁性物質、例えば、強磁性物質で形成できる。ドレイン１４０は、メタル層１４８のみでも形成できる。ドレイン１４０は、第２トンネルバリア１４２とメタル層１４８との間に強磁性層１４４を備えることができる。また、ドレイン１４０は、強磁性層１４４とメタル層１４８との間に反強磁性層１４６をさらに備えることもできる。
【００４８】
チャネル１２０は、ソース１３０とドレイン１４０との間のスピン分極された電子の通路である。チャネル１２０は、ソース１３０から注入される特定の方向、例えば、アップスピン方向またはダウンスピン方向のスピン分極された電子を選択的に通過させるフィルターの役割を行う。これらのチャネル１２０のフィルターの役割は、ゲート電極１１０に印加される電圧による。
【００４９】
この時、前記トンネルバリア１３２は、前記チャネル１２０内に進入する所望しないスピン方向を持つ電子をフィルタリングする役割を行い、トンネルバリア１４２は、チャネル１２０からドレイン１４０に所望しないスピン方向を持つ電子が通過することをフィルタリングする役割を行う。
【００５０】
この場合、本発明の一実施形態によるスピントランジスタ１００は、電界効果を利用するトランジスタとなる。
【００５１】
チャネル１２０は、強磁性物質、例えば、ハーフメタルで形成できる。前記ハーフメタルは、磁性酸化物、磁性二重ペロブスカイト構造物質、磁性ホイスラー合金、磁性半ホイスラー合金またはハーフメタル性質を持つ半導体で形成できる。
【００５２】
前記磁性酸化物は、ＣｒＯ２、Ｆｅ３Ｏ４、ＮｉＯ、またはＴｉＯ２でありうる。
【００５３】
前記磁性二重ペロブスカイト構造物質は、化学組成はＡ２ＢＢ’Ｏ６で表現され、Ａは、Ｃａ、Ｓｒ、及びＢａのうち選択された少なくともいずれか一つであり、Ｂは、３ｄオービタル遷移金属、例えば、ＦｅまたはＣｏであり、Ｂ’は、４ｄオービタル遷移金属、例えば、ＭｏまたはＲｅである。前記磁性二重ペロブスカイト構造物質は、例えば、Ｓｒ２ＦｅＭｏＯ６、Ｓｒ２ＦｅＲｅＯ６などがある。
【００５４】
前記磁性ホイスラー合金は、Ｘ２ＹＺ、Ｘ２ＹＺ’、Ｘ２Ｙ’Ｚ、及びＸ２Ｙ’Ｚ’からなる組成のうち選択された少なくとも一つからなり、Ｘは、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＲｕのうち選択された少なくともいずれか一つであり、Ｙは、Ｃｒ、及びＭｎのうち一つであり、Ｚは、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｂ、及びＰｂのうち一つである。前記磁性ホイスラー合金としては、例えば、ＣＯ２ＣｒＡｌ、ＣＯ２ＭｎＳｉが使われうる。
【００５５】
前記磁性半ホイスラー合金は、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｄＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂ、ＣｏＭｎＳｂ、ＩｒＭｎＳｂ、ＮｉＣｒＳｂ、ＦｅＭｎＳｂ、ＣｏＣｒＳｂ、ＮｉＶＳｂ、ＣｏＶＳｂ、ＣｏＴｉＳｂ、ＮｉＭｎＳｅ、ＮｉＭｎＴｅ、ＣｏＦｅＳｂ、ＮｉＦｅＳｂ、及びＲｈＭｎＳｂからなる群のうち選択された一つでありうる。
【００５６】
前記ハーフメタル性質を表す半導体は、ＣｒＡｓ、ＭｎＡｓ、及びＣｒＳｅのうち一つでありうる。
【００５７】
前記チャネル１２０は、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、及びパーマロイのうちいずれか一つの強磁性金属で形成できる。前記チャネル１２０は、半導体に遷移金属をドーピングして磁性を表すようにした、希釈された磁性半導体物質で形成されても良い。前記希釈された磁性半導体は、（Ｉｎ，Ｍｎ）Ａｓ、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ、（Ｚｎ，Ｃｏ）Ｏ、（Ｚｎ，Ｖ）Ｏ、（Ｇａ，Ｍｎ）Ｎ、（Ｇａ，Ｃｒ）Ｎ、（Ｃｄ，Ｍｎ）ＧｅＰ２、（Ｚｎ，Ｍｎ）ＧｅＰ２、（Ｔｉ，Ｃｒ）Ｏ２、及び（Ｚｎ，Ｃｒ）Ｓｅのうち一つでありうる。ここで、括弧内の前者は母体であり、後者はドーピング物質（または置換物質）である。それ以外にも、ＮｉＭｎＳｂ、Ｌａ（１−ｘ）ＡｘＭｎＯ３（Ａ＝Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ、０．２＜ｘ＜０．３）などのマンガナイト系及びＣｕドーピングＧａＮなどの遷移金属ドーピング半導体もハーフメタルの特性を持っている。
【００５８】
ハーフメタルはダウンスピン電子とアップスピン電子とを持ち、一方のスピン電子はフェルミレベル近傍におけるバンドギャップ形成によって半導体性質を持ち、残りの他方のスピン電子はメタル性質を持つ。
【００５９】
ソース１３０及びドレイン１４０が強磁性層１３４、１４４を備える場合、強磁性層１３４、１４４はそれぞれ、優勢なスピン方向が同じ方向になるように形成されうる。強磁性金属には、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＢ合金、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、パーマロイなどが使われうる。強磁性層１３４、１４４は一方のスピン方向より他方のスピン方向において高い状態密度（Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｏｆ  Ｓｔａｔｅｓ：ＤＯＳ）を有し、例えば、アップスピン電子がダウンスピン電子より高い状態密度を有する。これに比べて、一般的な金属は、アップスピン電子とダウンスピン電子との状態密度（ＤＯＳ）が同じであり、ドレイン１２０の場合は一般的な金属で形成されても良い。
【００６０】
反強磁性層１３６、１４６は、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｔＣｒＭｎなどで形成できる。
【００６１】
チャネル１２０がハーフメタルで形成され、ソース１３０及びドレイン１４０が強磁性物質で形成される場合、ソース１３０及びドレイン１４０の優勢な電子スピン方向で、チャネル１２０は半導体性質を持つように形成される。図１のスピントランジスタ１００の駆動方法を、図２及び図３を参照して説明する。図２及び図３は、ソース、ドレイン、及び、第１トンネルバリア及び第２トンネルバリアのエネルギーバンドダイヤグラムである。図１の構成要素と同じ構成要素について同じ参照番号を使用し、詳細な説明は省略する。
【００６２】
図２を参照すれば、ソース１３０及びドレイン１４０は強磁性金属で形成され、チャネル１２０はハーフメタルで形成されている。ソース１３０及びドレイン１４０は、それぞれアップスピンが優勢に形成されており、チャネル１２０は、アップスピン方向で半導体性質を持つ。ソース１３０からドレイン１４０に電子スピンが移動するように、ドレイン１４０に１Ｖのバイアス電圧を印加し、ソース１３０にグラウンド電圧を印加する。
【００６３】
ソース１３０で少数キャリアであるダウンスピン電子は量が少なく、トンネルバリア（ＭｇＯ層）１３２、１４２が選択的に、多数キャリアであるアップスピン電子のみトンネルリングさせる。チャネル１２０は、アップスピン電子のフローを止めてアップスピン電子がドレイン１４０に移動できないようにし、したがって、チャネル１２０には電流が流れない。すなわち、トランジスタ１００はオフ状態になる。前記ドレイン１４０で測定された電流（ドレイン電流）で前記トランジスタ１００のターンオフ状態を判断できる。図３を参照すれば、ゲート電極１１０に０．５Ｖのゲート電圧を印加すれば、チャネル１２０のアップスピン電子の伝導帯がソース１３０のフェルミレベルと整列し、これによって、ソース１３０のアップスピン電子が第１トンネルバリア１３２を通過してチャネル１２０に移動し、チャネル１２０でのアップスピン電子は、第２トンネルバリア１４２を通過してドレイン１４０に移動する。したがって、チャネル１２０には電流が流れ、したがって、トランジスタ１００がオン状態になる。
【００６４】
このように、ゲート電圧によって、スピン分極された電子は、チャネル１２０を選択的に通過でき、したがって、スピントランジスタ１００はターンオンされる。本発明の一実施形態によるスピントランジスタ１００は、従来の半導体素子に比べて移動度が上昇し、また、スピン電子の移動に必要なパワーが電子移動に必要なパワーより小さいので、所要のパワーの量を低減させることができる。したがって、小型化によって相対的に小さなトランジスタの製作が可能になる。
【００６５】
図４は、本発明の他の実施形態によるスピントランジスタ２００の概略的な断面図である。図１のスピントランジスタ１００の構成と実質的に同じ構成には同じ参照番号を使用し、詳細な説明は省略する。
【００６６】
図４を参照すれば、基板１０２に、ゲート電極１１０と交差する第２ゲート電極２６０がゲート電極１１０から離隔して形成される。ゲート電極１１０は、第１ゲート電極とも称する。第１ゲート電極１１０に供給される第１電流と、第２ゲート電極２６０に供給される第２電流とは互いに交差し、第１電流または第２電流の方向の調節でチャネル１２０のスピン方向を変更できる。例えば、チャネル１２０を強磁性金属で形成する場合、ソース１３０のメインスピン（ｍａｉｎ  ｓｐｉｎ）と同じ方向のメインスピンを持つようにチャネル１２０に磁界を加えれば、スピントランジスタ２００はターンオン状態になり、ソース１３０のメインスピンと異なる方向のメインスピンを持つようにチャネル１２０に磁界を加えれば、スピントランジスタ２００はターンオフ状態になる。
【００６７】
チャネル１２０がハーフメタルである場合にも、第１ゲート電極１１０及び第２ゲート電極２６０に流れる電流を調節して、図５のように金属性質を持つスピンの方向がアップスピンになれば、トランジスタ２００はターンオン状態になり、図２のように金属性質を持つスピン方向がダウンスピンならば、トランジスタ２００はターンオフ状態になる。
したがって、スピントランジスタ２００は磁界によりターンオンされうる。
【００６８】
図６は、本発明のさらに他の実施形態によるスピントランジスタ３００の概略的な断面図である。図１の構成要素と実質的に同じ構成要素には同じ参照番号を使用し、詳細な説明は省略する。
【００６９】
図６を参照すれば、基板３０２上に絶縁層３０４が形成されており、絶縁層３０４上に互いに離隔したソース３３０とドレイン３４０とが形成されている。ソース３３０とドレイン３４０との間には絶縁層３５０が形成されうる。ソース３３０及びドレイン３４０上には、それぞれ第１トンネルバリア３３２及び第２トンネルバリア３４２が形成され、第１トンネルバリア３３２及び第２トンネルバリア３４２上にはチャネル３２０、ゲート酸化物層３１２、ゲート電極３１０が順次に形成されている。
【００７０】
ソース３３０は、第１トンネルバリア３３２から下方に強磁性層３３４、反強磁性層３３６及びメタル層３３８が順次に積層され、ドレイン３４０は、第２トンネルバリア３４２から下方に強磁性層３４４、反強磁性層３４６及びメタル層３４８が順次に積層されうる。
【００７１】
図６のスピントランジスタ３００の駆動方法は図１のスピントランジスタの駆動方法と実質的に同一であり、詳細な説明は省略する。
【００７２】
一方、図６のスピントランジスタ３００でゲート電極３１０の上方に、ゲート電極３１０と交差するように第２ゲート電極（図示せず）がさらに形成され、これにより、磁界によって駆動されるスピントランジスタが得られうる。図７は、本発明のさらに他の実施形態によるスピントランジスタ４００の概略的な断面図である。
【００７３】
図７を参照すれば、基板４０２上に絶縁層４０４が形成されており、ソース４３０、チャネル４２０、及びドレイン４４０が同じ平面、例えば、絶縁層４０４上に形成されている。そして、チャネル４２０上には、ゲート絶縁層４１２及びゲート電極４１０が積層されている。
【００７４】
基板４０２はシリコン基板であり、絶縁層４０４はシリコン酸化物で形成される。ゲート電極４１０は、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）などの貴金属、遷移金属、希土類金属またはポリシリコンで形成できる。
【００７５】
ゲート酸化物層４１２は、酸化シリコン、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、及びＳｉ３Ｎ４のうち一つで形成できる。
【００７６】
チャネル４２０とソース４３０との間には、第１トンネルバリア４３２が形成され、チャネル４２０とドレイン４４０との間には、第２トンネルバリア４４２が形成されうる。第１トンネルバリア４３２及び第２トンネルバリア４４２は、ＴＭＲ素子で両側の磁化層の間に配置される物質と同じ材料からなる。例えば、ＭｇＯ、アルミニウム酸化膜（ＡｌＯｘ）、例えば、Ａｌ２Ｏ３が使われうる。
【００７７】
ソース４３０は、磁性物質、例えば、強磁性物質で形成できる。ソース４３０は、第１トンネルバリア４３２とメタル層４３８との間に強磁性層４３４を備えることができる。また、ソース４３０は、強磁性層４３４とメタル層４３８との間に、反強磁性層４３６をさらに備えることもできる。
【００７８】
ドレイン４４０は一般的な金属で形成できる。また、ドレイン４４０は磁性物質、例えば、強磁性物質で形成できる。ドレイン４４０は、メタル層４４８のみでも形成できる。ドレイン４４０は、第１トンネルバリア４４２とメタル層４４８との間に強磁性層４４４を備えることができる。また、ドレイン４４０は、強磁性層４４４とメタル層４４８との間に、反強磁性層４４６をさらに備えることもできる。
【００７９】
チャネル４２０は、ソース４３０とドレイン４４０との間のスピン分極された電子の通路である。チャネル４２０は特定の方向、例えば、アップスピン方向のスピン分極された電子を選択的に通過させるフィルターの役割を行う。これらのチャネル４２０のフィルターの役割は、ゲート電極４１０に印加される電圧によるものである。この場合、スピントランジスタ４００は、電界効果を利用するトランジスタになる。この時、前記トンネルバリア４３２、４４２それぞれは、前記チャネル１２０内に進入する所望しないスピン方向を持つ電子をフィルタリングする役割を行い、またチャネル１２０からドレイン１４０に所望しないスピン方向を持つ電子が通過することをフィルタリングする役割を行う。
【００８０】
前記チャネル４２０は、前記チャネル１２０と同じ物質で形成でき、詳細な説明は省略する。
【００８１】
ハーフメタルは、ダウンスピン電子とアップスピン電子とを持ち、一方のスピン方向の電子はフェルミレベル近傍におけるバンドギャップの形成によって半導体性質を持ち、他方のスピン方向のスピンはメタル性質を持つ。
【００８２】
ソース４３０及びドレイン４４０が強磁性層４３４、４４４を含む場合、強磁性層４３４、４４４はそれぞれ優勢なスピン方向が同じ方向になるように形成されうる。強磁性金属には、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＢ合金などが使われうる。強磁性層４３４、４４４は一方のスピン方向より他方のスピン方向において高い状態密度を有し、例えば、アップスピン電子がダウンスピン電子より高い状態密度（ＤＯＳ）を有する。これに比べて、通常のメタルはアップスピン電子とダウンスピン電子との状態密度（ＤＯＳ）が同じであり、ドレイン４２０の場合は通常のメタルで形成されることもある。
【００８３】
反強磁性層４３６、４４６は、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｔＣｒＭｎなどで形成できる。チャネル４２０がハーフメタルで形成され、ソース４３０及びドレイン４４０が強磁性物質で形成される場合、ソース４３０及びドレイン４４０の優勢な電子スピン方向で、チャネル４２０は半導体性質を持つように形成されうる。
【００８４】
図７でも、ゲート電極４１０と交差する第２ゲート電極（図４の２６０参照）をさらに形成できる。第２ゲート電極の位置は、ゲート電極４１０の上方または下方に形成され、詳細な説明は省略する。
【００８５】
図７のスピントランジスタ４００の作用は、図１のスピントランジスタ１００と実質的に同一であり、詳細な説明は省略する。
【００８６】
一方、ゲート電極４１０と交差するように第２ゲート電極（図示せず）を形成でき、これにより、ゲート電極４１０及び第２ゲート電極に供給される電流の制御でチャネル４２０のスピン方向が制御される。これらのスピントランジスタの駆動方法は、図４のスピントランジスタ２００と実質的に同一であり、詳細な説明は省略する。
【００８７】
図８は、本発明の更なる他の実施形態によるスピントランジスタ５００の概略的な断面図である。
【００８８】
図８を参照すれば、基板５０２上に絶縁層５０４が形成されており、絶縁層５０４上に第１ゲート電極５１０及びソース５３０が形成されている。第１ゲート電極５１０とソース５３０との間に絶縁層５５１が形成されて、第１ゲート電極５１０とソース５３０とを離隔させる。第１ゲート電極５１０上には第１ゲート絶縁層５１２が形成され、ソース５３０上には第１トンネルバリア５３２が形成されうる。
【００８９】
ソース５３０は、第１トンネルバリア５３２から下方に順次に形成された強磁性層５３４、反強磁性層５３６、及びメタル層５３８を備えることができる。
【００９０】
前記第１トンネルバリア５３２、第１ゲート酸化物層５１２及び絶縁層５５１上にはチャネル５２０が形成される。前記チャネル５２０上には、ドレイン５４０と第２ゲート電極５６０とが形成される。第２ゲート電極５６０とチャネル５２０との間には、第２ゲート酸化物層５６２が形成される。ドレイン５４０と第２ゲート電極５６０との間には、絶縁層５５２が形成されて、ドレイン５４０と第２ゲート電極５６０との間を離隔させる。
【００９１】
ドレイン５４０とチャネル５２０との間には、第２トンネルバリア５４２がさらに形成される。ドレイン５４０は、第２トンネルバリア５４２上に順次に形成された強磁性層５４４、反強磁性層５４６及びメタル層５４８を備えることができる。
【００９２】
ソース５３０及びドレイン５４０は、チャネル５４０を基準に互いに対応するように形成され、第１ゲート電極５１０及び第２ゲート電極５６０は、チャネル５２０を中心に互いに対応するように形成される。
【００９３】
第１ゲート電極５１０及び第２ゲート電極５６０のうち、少なくともいずれか一つにゲート電圧が印加される。ゲート電圧の印加によって、ソース５３０からの電子スピンがドレイン５４０に移動し、したがって、トランジスタ５００がターンオンされる。トランジスタ５００では、ソース５３０からドレイン５４０へのチャネル５２０の経路が短く、したがって、スピンの方向の転換によるトランジスタの動作エラーが低減できる。
【００９４】
本発明は図面及び実施形態を参考して説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これより多様な変形及び均等な実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲によって定められねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明は、トランジスタ及びメモリ素子産業に好適に用いられる。
【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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【国際調査報告】
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