(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一及び第二リード線と、
伝導性の島状電荷を備え、
少なくとも前記伝導性島状電荷が強磁性物質から形成され、前記島状電荷を介して電荷が前記第一リード線から前記第二リード線へ輸送可能であるように構成され、更に
前記伝導性島状電荷の静電エネルギーを変化させるゲートを備え、
前記第一リード線、前記第二リード線、前記島状電荷、及び前記ゲートのうち少なくとも一つの要素が強磁性物質から形成され、ゲートバイアスにより、一軸異方性か又は立体異方性のどちらが支配的であるかを制御することで、前記島状電荷の磁化を遷移させる、ことを特徴とする単一電荷トンネル素子。
【請求項２】
前記第一リード線、前記第二リード線、前記島状電荷、及び選択的には前記ゲートは、各々、同一の強磁性物質から形成される、ことを特徴とする請求の範囲第１項記載の素子。
【請求項３】
前記第一リード線、前記第二リード線、前記島状電荷、及び選択的には前記ゲートは、前記強磁性物質の一層から形成される、ことを特徴とする請求の範囲第１又は２項記載の素子。
【請求項４】
前記一層は狭窄部分を有し、前記島状電荷は前記狭窄部分内部に形成される、ことを特徴とする請求の範囲第３項記載の素子。
【請求項５】
前記第一リード線、前記第二リード線、及び前記島状電荷の形状は、前記第一リード線、前記第二リード線、及び前記島状電荷のうち少なくとも一つの要素の磁化方向が前記少なくとも一つの要素以外の残余の要素の磁化方向と交差する方向に強制配向されるか、又は、前記化学ポテンシャルが異なる前記交差方向とは異なる方向に強制配向される、ように構成される、ことを特徴とする請求の範囲第２乃至４項のいずれかひとつに記載の素子。
【請求項６】
少なくとも二つの伝導性島状電荷を備え、前記少なくとも二つの伝導性島状電荷はそのうち少なくとも一つの伝導性島状電荷を介して電荷が前記第一リード線から前記第二リード線へ輸送可能であるように構成される、ことを特徴とする請求の範囲第２乃至４項のいずれかひとつに記載の素子。
【請求項７】
前記伝導性島状電荷は充電エネルギーを有し、前記磁化方向の変化は少なくとも前記充電エネルギーのオーダーの化学ポテンシャルの変化を生起する、ことを特徴とする請求の範囲第１乃至６項のいずれかひとつに記載の素子。
【請求項８】
前記第一リード線、前記第二リード線、及び前記島状電荷のうち少なくとも二つの要素が強磁性物質から形成され、前記少なくとも二つの要素のうち少なくとも一つの要素の磁化方向の変化に応答した化学ポテンシャルの正味の変化が存在する、ことを特徴とする請求の範囲第１乃至６項のいずれかひとつに記載の素子。
【請求項９】
前記化学ポテンシャルの変化は少なくとも１ｍｅＶである、ことを特徴とする請求の範囲第１乃至６項のいずれかひとつに記載の素子。
【請求項１０】
前記強磁性物質はＧａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓである、ことを特徴とする請求の範囲第１乃至９項のいずれかひとつに記載の素子。
【請求項１１】
請求の範囲第１乃至１０項のいずれかひとつに記載の前記素子を備える、ことを特徴とする不揮発性メモリ。
【請求項１２】
請求の範囲第１乃至１０項のいずれかひとつに記載の前記素子を備える、ことを特徴とする磁場センサ。
【請求項１３】
請求の範囲第１乃至１０項のいずれかひとつに記載の前記単一電荷トンネル素子を動作させる方法であって、
第一バイアスを前記ゲートに印加する段階と、
前記第一バイアスを前記ゲートから解除する段階と、
前記リード線間の第一抵抗を測定する段階と、
前記第一バイアスと異なる第二バイアスを前記ゲートに印加する段階と、
前記第二バイアスを前記ゲートから解除する段階と、
前記リード線間の第二抵抗を測定する段階から成り、
前記素子を前記第一抵抗と前記第二抵抗が相互に異なるように動作させる、ことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求の範囲第１乃至１０項のいずれかひとつに記載の前記単一電荷トンネル素子を動作させる方法であって、
第一磁場を印加する段階と、
前記第一磁場を解除する段階と、
前記リード線間の第一抵抗を測定する段階と、
前記第一磁場と異なる第二磁場を印加する段階と、
前記第二磁場を解除する段階と、
前記リード線間の第二抵抗を測定する段階から成り、
前記素子を前記第一抵抗と前記第二抵抗が相互に異なるように動作させる、ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一電荷トンネル素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
単一電子トランジスタ（ＳＥＴｓ）及び単一電子ターンスタイル等の単一電荷トンネル素子は、従来技術において周知のものである。
【０００３】
単一電子トランジスタにおいては、ソースリード線からドレインリード線へ一個の電子が微小で弱結合した島状電荷を介して輸送されることは、該島状電荷の充電エネルギーＥＣに起因するクーロンブロッケードにより抑制される。該充電エネルギーＥＣはＥＣ＝ｅ２／２ＣΣに等しく、ここにＣΣは島状電荷の全静電容量を表す。ゲート電極にゲート電圧ＶＧを印加することにより、島状電荷の該静電的充電エネルギーＥＣは、（島状電荷上の電荷Ｑ＝ｎｅが−ＣＧＶＧ≡Ｑ０に等しい時に最小となる）エネルギー値Ｑ２／２ＣΣ＋ＱＣＧＶＧ／ＣΣに変化する。更に、該連続的な外部変数Ｑ０を値−（ｎ＋１／２）ｅに同調すると、島状電荷上の電子数のｎからｎ＋１までの増加に付随する該充電エネルギーは消失して、該ソース−ドレイン両リード線間に電流が流れる。該ゲート電圧の変化は更に、該ソース−ドレイン間電流においてクーロンブロッケード振動を誘導する。該振動においては、その各周期は、島状電荷の電荷状態における電子一個ずつの増加又は減少に対応するものである。
【０００４】
室温で動作し得る単一電子トランジスタが、以下の文献で開示されている。
【０００５】
例えば、「ＴｉＯｘ／Ｔｉ系に対する走査型トンネル顕微鏡使用のナノ酸化処理により製造された単一電子トランジスタの室温動作」、Ｋ．Ｍａｔｕｍｏｔｏ，Ｍ．Ｉｓｈｉｉ，Ｋ．Ｓｅｇａｗａ，Ｙ．Ｏｋａ，Ｂ．Ｊ．Ｖａｒｔａｎｉａｎ  ａｎｄ  Ｊ．Ｓ．Ｈａｒｒｉｓ，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．６８，ｐ  ３４  （１９９６）。本文献では、走査型トンネル顕微鏡使用のナノ酸化処理により製造された金属製単一電子トランジスタ（ＳＥＴ）、が開示されている。
【０００６】
「シリコン単一電子トランジスタにおける負差分コンダクタンスに基づく、低電圧かつ同調可能スタティックメモリの室温動作実証運転」、Ｍ．Ｓａｉｔｏｈ，Ｈ．Ｈａｒａｔａ  ａｎｄ  Ｔ．Ｈｉｒａｍｏｔｏ，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．８５，ｐ  ６２３３（２００４）。本文献では、極細リード線チャネルの金属−酸化物−半導体電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の型式における単一正孔トランジスタ（ＳＨＴ）、が開示されている。
【０００７】
電子等の電荷キャリアの上記のような輸送は、他の異なるメカニズムを用いても制御し得る。
【０００８】
例えば、電荷キャリアの輸送が該電荷キャリアの有するスピンにより少なくとも部分的に制御される素子、が知られている。これらの所謂「スピン工学的」素子の周知例として、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）に基づくスピンバルブと磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子、が存在する。一般に、これらの素子は交互に配置された強磁性物質と非強磁性物質の層から形成され、ここで該非強磁性物質は（スピンバルブの場合）金属であり、（ＭＴＪ素子の場合）絶縁体である。該スピン工学的素子は、磁場センサと磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）を含む幾つかの応用例を有する。こうしたスピン基盤の電子工学とその応用例のレヴューは、以下の文献に与えられている。「スピン工学：スピン基盤の電子工学の将来的ヴィジョン」、Ｓ．Ａ．Ｗｏｌｆ  ｅｔ  ａｌ．，Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｏｌｕｍｅ  ２９４，ｐｐ．１４８８ｔｏ１４９５（２００１）。
【０００９】
磁気抵抗効果を呈する単一電子トランジスタの製造も試みられて来た。
【００１０】
例えば、「強磁性単一電子トランジスタにおける高磁気バルブ効果と磁気−クーロンブロッケード振動」、Ｋ．Ｏｎｏ、Ｈ．Ｓｈｉｍａｄａ  ａｎｄ  Ｙ．Ｏｏｔｕｋａ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｊａｐａｎ，ｖｏｌ．６６，Ｎｏ．５，ｐｐ．１２６１−１２６４（１９９７）。本文献では、電子スピンの外部磁場とのＺｅｅｍａｎ結合により誘導されたクーロンブロッケード振動を呈する単一電子トランジスタ、が開示されている。これらの磁気−クーロンブロッケード振動は１テスラのオーダーの磁場の適用を必要とし、又、不揮発性のメモリ効果を生成しない。
【００１１】
弱磁場で磁化反転する磁気抵抗（ＭＲ）効果は、リード線の相対的な磁気的配置が平行から反平行へ切り替わる単一電子トランジスタにおいて、その発現が実証された。ゲート電圧に対する磁気抵抗の感受性は、島状電荷における量子化されたエネルギー準位を介する共鳴トンネル効果に起因していた。この場合、誘導磁場による磁化再配向は、上記Ｑ０の変化を誘導しない。従って、磁場の効果はゲート電圧の効果より微弱であり、又、磁場によるソース−ドレイン間電流の変化はゲート電圧誘導のクーロンブロッケード振動より遥かに微弱である。
【００１２】
（発明の開示）
本発明の目的は、例えばメモリ素子としても使用可能な、改良された単一電荷トンネル素子を提供することである。
【００１３】
本発明の第一態様によれば、以下の単一電荷トンネル素子が提供される。即ち、第一及び第二リード線と、伝導性の島状電荷を備え、該伝導性島状電荷は、該島状電荷を介して電荷が該第一リード線から該第二リード線へ輸送可能であるように構成され、更に該伝導性島状電荷の静電エネルギーを変化させるゲートを備え、該第一リード線、該第二リード線、該島状電荷、及び該ゲートのうち少なくとも一つの要素が強磁性物質から形成され、該強磁性物質は磁化方向の変化に応答して化学ポテンシャルの変化を呈する、ことを特徴とする単一電荷トンネル素子。
【００１４】
該第一リード線、該第二リード線、該島状電荷、及び選択的には該ゲートは、各々、同一の強磁性物質から形成され得る。該第一リード線、該第二リード線、該島状電荷、及び選択的には該ゲートは、該同一の強磁性物質の一層から形成され得る。該一層は狭窄部分を有し得て、該島状電荷は該狭窄部分内部に形成され得る。
【００１５】
該第一リード線、該第二リード線、及び該島状電荷の形状は、該第一リード線、該第二リード線、及び該島状電荷のうち少なくとも一つの要素の磁化方向が該少なくとも一つの要素以外の要素の磁化方向と交差する方向に強制配向されるか、又は、該化学ポテンシャルが異なる該交差方向とは異なる方向に強制配向される、ように構成される。
【００１６】
該単一電荷トンネル素子は少なくとも二つの伝導性島状電荷を備え、該少なくとも二つの伝導性島状電荷はそのうち少なくとも一つの伝導性島状電荷を介して電荷が該第一リード線から該第二リード線へ輸送可能であるように構成される。
【００１７】
該伝導性島状電荷は充電エネルギーを有し得て、該磁化方向の変化は少なくとも該充電エネルギーのオーダーの化学ポテンシャルの変化を生起し得る。
【００１８】
該第一リード線、該第二リード線、及び該島状電荷のうち少なくとも二つの要素が強磁性物質から形成され得て、該少なくとも二つの要素のうち少なくとも一つの要素の磁化方向の変化に応答した化学ポテンシャルの正味の変化が存在し得る。
【００１９】
該化学ポテンシャルの変化は、少なくとも１ｍｅＶ，少なくとも６ｍｅＶ，又は少なくとも９ｍｅＶであり得る。
【００２０】
該強磁性物質は、Ｇａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓ等のＧａＭｎＡｓであり得る。
【００２１】
該強磁性物質は、Ｄｙ、Ｅｒ、又はＨｏ等の希土類金属を含む合金から形成され得る。該強磁性物質は、貴金属を含む合金から形成され得る。
【００２２】
該強磁性物質は、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、又はＣｏＰｄから形成され得る。
【００２３】
本発明の第二態様によれば、以下の単一電荷トンネル素子が提供される。即ち、第一及び第二リード線と、伝導性の島状電荷を備え、該伝導性島状電荷は、該島状電荷を介して電荷が該第一リード線から該第二リード線へ輸送可能であるように構成され、該第一リード線、該第二リード線、及び該島状電荷のうち少なくとも一つの要素が強磁性物質から形成され、該強磁性物質は磁化方向の変化に応答して化学ポテンシャルの変化を呈する、ことを特徴とする単一電荷トンネル素子。
【００２４】
本発明の第三態様によれば、該単一電荷トンネル素子を有する不揮発性メモリが提供される。
【００２５】
本発明の第四態様によれば、該単一電荷トンネル素子を有する磁場センサが提供される。
【００２６】
本発明の第五態様によれば、以下の、該単一電荷トンネル素子を動作させる方法が提供される。即ち、第一バイアスを該ゲートに印加する段階と、該第一バイアスを該ゲートから解除する段階と、該リード線間の第一抵抗を測定する段階と、該第一バイアスと異なる第二バイアスを該ゲートに印加する段階と、該第二バイアスを該ゲートから解除する段階と、該リード線間の第二抵抗を測定する段階から成り、該素子を該第一抵抗と該第二抵抗が相互に異なるように動作させる、ことを特徴とする方法。
【００２７】
本発明の第六態様によれば、以下の、該単一電荷トンネル素子を動作させる方法が提供される。即ち、第一磁場を印加する段階と、該第一磁場を解除する段階と、該リード線間の第一抵抗を測定する段階と、該第一磁場と異なる第二磁場を印加する段階と、該第二磁場を解除する段階と、該リード線間の第二抵抗を測定する段階から成り、該素子を該第一抵抗と該第二抵抗が相互に異なるように動作させる、ことを特徴とする方法。
【００２８】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明の実施例を、添付図面を参照しつつ例示により以下に説明する。
【００２９】
素子構造
図１と図２を参照すると、本発明による単一電子トランジスタ１は、伸張された伝導性チャネル２とトレンチアイソレーションにより（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓのパターン層４に形成された側ゲート３、を有する。ＡｌＡｓの層５は、チャネル２と側ゲート３をＧａＡｓ基板６から電気的に絶縁している。チャネル２はその幅広部分の間に配置された狭窄部分７を含み、該幅広部分は電気的なリード線８，９を形成している。
【００３０】
（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓパターン層４は、２％のＭｎ、即ちＧａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓ、を含み、厚さは５ｎｍである。狭窄部分７は、幅が３０ｎｍで長さが３０ｎｍである。チャネル２は、幅が２μｍである。チャネル２とゲート３は、約３０ｎｍ離されている。
【００３１】
狭窄部分７の領域において、無秩序の度合いから生ずるポテンシャルの揺らぎが、少なくとも一つの伝導性島状電荷１０と少なくとも一対のトンネル障壁１１を生成する。トンネル障壁１１は、伝導性島状電荷１０をリード線８，９且つ／又は隣接する伝導性島状電荷１０に弱く結合させている。
【００３２】
以後により詳細に説明するが、本発明による単一電子トランジスタ１は、第一モードにおいてトランジスタとして、第二モードにおいて不揮発性メモリとして、動作可能である。しかしながら、単一電子トランジスタ１の動作を説明する前に、試験構造体１３（図３）の磁気抵抗特性を最初に説明して、これを単一電子トランジスタ１の磁気抵抗特性と比較することとする。
【００３３】
磁気抵抗特性
図３を参照すると、単一電子トランジスタ１と試験構造体１３は、伸張されたホールバー１４を共有している。ホールバー１４は、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓパターン層４に形成され、狭窄部分７の両側に１０μｍ間隔で配置された三対のターミナルを有する。ホールバー１４の長手軸は、［１１０］方向に沿って配置されている。
【００３４】
電圧源１６は、ホールバー１４の端間にソース−ドレイン間バイアスＶＳＤを印加する。電流計１７は、ホールバー１４を流れるソース−ドレイン間電流Ｉを測定する。第一電圧計１８は、狭窄部分７の両端間のポテンシャル差ＶＣを測定する。第二電圧計１９は、試験構造体１３の両端間のポテンシャル差ＶＳを測定する。この構成により、単一電子トランジスタ１と試験構造体１３両者の磁気抵抗特性の比較が可能になる。第二電圧源２０は、ゲート３に（対接地）バイアスＶＧ（即ち、ゲート電圧）を印加する。
【００３５】
ホールバー１４が形成されているチップ（図示せず）は挿入体（図示せず）上に搭載され、且つクライオスタット（図示せず）内に配置されている。該クライオスタットは、磁場（図示せず）を印加する為の超伝導コイル（図示せず）と電源（図示せず）を有する。該挿入体は接続線（図示せず）を含み、該接続線はクライオスタット外の該制御及び測定システム１６，１７，１８，１９，２０をクライオスタット内の単一電子トランジスタ１と試験構造体１３に接続する。
【００３６】
該挿入体（図示せず）は、該チップが搭載されている傾斜可能な支持体（図示せず）を有する。該支持体により、チップは該磁場に対して傾斜可能になる。従って、ホールバー１４において、該磁場はソース−ドレイン間電流Ｉに対して平行又は垂直に整列され得る。
【００３７】
試験構造体１３の磁気抵抗特性
図４を参照すると、ＶＳＤ＝５ｍＶで温度４．２°Ｋにおける、該磁場に対する試験構造体１３の抵抗ＲＳ（＝ＶＳ／Ｉ）のグラフ２１１，２１２，２２１，２２２，２３、が図示されている。
【００３８】
第一及び第二グラフ２１１，２１２は、抵抗ＲＳが、平行磁場（即ち、Ｂ‖Ｉ）の強度の関数として該平行磁場強度が増減するにつれて如何に変化するか、を示している。第三及び第四グラフ２２１，２２２は、抵抗ＲＳが、垂直磁場（即ち、Ｂ⊥Ｉ）の強度の関数として該垂直磁場強度が増減するにつれて如何に変化するか、を示している。最後に、第五グラフ２３は、抵抗ＲＳが、５テスラの固定強磁場の磁場配向の関数として如何に変化するか、を示している。ここで、角度θ＝９０°はＢ‖Ｉ（又、強磁場においてＭ‖Ｉ）に対応する。
【００３９】
試験構造体１３は、該磁化がソース−ドレイン間電流Ｉに平行に整列される時には高抵抗状態を呈し、該磁化がソース−ドレイン間電流Ｉに垂直に整列される時には低抵抗状態を呈する。
【００４０】
単一電子トランジスタ１の磁気抵抗特性
図５ａ，５ｂを参照すると、ＶＳＤ＝５ｍＶで温度４．２°Ｋにおける、該磁場に対する単一電子トランジスタ１の狭窄部分７の抵抗ＲＣ（＝ＶＣ／Ｉ）のグラフ２４，２５、が図示されている。
【００４１】
図５ａにおいて、グラフ２４は、該磁場がソース−ドレイン間電流Ｉに平行に整列される時に（即ち、Ｂ‖Ｉ）、抵抗ＲＣがゲート電圧ＶＧと該磁場強度につれて如何に変化するか、を示している。図５ｂにおいて、グラフ２５は、抵抗ＲＣがゲート電圧ＶＧと５テスラの固定強磁場の磁場配向につれて如何に変化するか、を示している。
【００４２】
試験構造体１３と同様に、単一電子トランジスタ１も、該磁場がソース−ドレイン間電流Ｉに平行に整列されるか又は垂直に整列されるかに応じて、高抵抗状態又は低抵抗状態を呈する（即ち、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果）。
【００４３】
しかしながら、単一電子トランジスタ１においては、該異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）は、ゲート電圧ＶＧに依存するのみならず、図示されているように例えばＶＧ＝０．５Ｖで大幅に増大する。以後により詳細に説明するように、この効果（ここでは、「クーロンブロッケード異方性磁気抵抗効果」、即ち「ＣＢＡＭＲ効果」、と呼ぶ）は、不揮発性メモリ機能の生成に利用し得る。
【００４４】
図６ａ，６ｂを参照すると、ＶＳＤ＝５ｍＶで温度４．２°Ｋにおける、異なるゲート電圧ＶＧと磁場配向に対する単一電子トランジスタ１の狭窄部分７の抵抗ＲＣのグラフ２６，２７１，２７２，２７３，２７４，２７５、が図示されている。
【００４５】
単一電子トランジスタ１は、該磁化配向の変化に起因するクーロンブロッケード振動パターンの移動を呈する。例えば、該クーロンブロッケード振動は、θ＝９０°においてゲート電圧ＶＧ＝−０．４Ｖでピーク２８を有する。ピーク２８は、θの増加につれてより高いゲート電圧に移動する。該ＶＧ＝−０．４Ｖ状態は、θ＝１３０°において該クーロンブロッケード振動抵抗パターンにおいて最小となる。
【００４６】
図７を参照すると、ＶＧ＝−０．４Ｖで温度４．２°Ｋにおける、異なる磁場配向に対する単一電子トランジスタ１の狭窄部分７の抵抗ＲＣのグラフ２９、が図示されている。
【００４７】
図６ｂの該第一グラフ２７１と図７の該グラフ２９を比較すると、ゲート電圧ＶＧの変化から生ずる抵抗ＲＣの大きさの変化は、磁場配向の変化から生ずる抵抗ＲＣの大きさの変化に匹敵するものである。
【００４８】
単一電子トランジスタ１のゲート及びトンネル障壁パラメータ
単一電子トランジスタ１の挙動を詳細に説明する前に、単一電子トランジスタ１のゲート及びトンネル障壁パラメータを見積もることとする。
【００４９】
図８を参照すると、単一電子トランジスタ１の回路モデル３０が図示されている。島状電荷は、クーロンブロッケード充電エネルギーｅ２／２ＣΣを定義する全容量ＣΣ＝２Ｃ＋ＣＧを有する。
【００５０】
図９を参照すると、温度４．２°Ｋと５０°Ｋにおける単一電子トランジスタ１の電流−抵抗グラフ３１，３２が図示されている。第一グラフ３１は、クーロンブロッケード状態にある単一電子トランジスタ１、を示している。第二グラフ３２は、オームの法則に従う、線形な伝導状態にある単一電子トランジスタ１、を示している。４．２°Ｋにおける電流−抵抗グラフ３１から、該クーロンブロッケード充電エネルギーｅ２／２ＣΣは、電流が流れる位置３３から数ｍｅＶのオーダーであると見積もれる。該位置３３は、単一電子トランジスタ１が低温に冷却されても変化しない。
【００５１】
再び図６ｂを参照すると、該抵抗−ゲート電圧グラフ２７１，２７２，２７３，２７４，２７５のいずれか一つから、該クーロンブロッケード振動の周期ｅ／ＣＧは１００ｍＶのオーダーであると見積もれる。
【００５２】
図６ｂと図９に図示されている特性を用いて、ＣΣ、ＣＧ、及びＣの値を見積もれる。この見積もりによると、リード線−島状電荷間容量Ｃはゲート容量ＣＧより略百倍大きい。この結果は、単一電子トランジスタ１の形状、寸法、組成物質と技術内容的に符号するものである。即ち、ゲート３と狭窄部分７は３０ｎｍ離されており、該トンネル障壁の誘電率の値は１２．８５でありこれは用いたＧａＡｓの値に他ならない。
【００５３】
クーロンブロッケード異方性磁気抵抗（ＣＢＡＭＲ）効果
単一電子トランジスタ１の挙動を、以下に説明する。
【００５４】
前述のように、単一電子トランジスタ１は、該増大した異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果を呈する。この効果が生ずる微視的な起源は、パターン層４を形成する（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓのスピン−軌道結合したバンド構造に起因する化学ポテンシャルμの異方性、であると考えられる。
【００５５】
図１０ａ，１０ｂを参照すると、第一及び第二エネルギー図３４１，３４２は、ソースリード線８から島状電荷１０への電荷Ｑの輸送に付随するＧｉｂｂｓエネルギーＵへのエネルギー寄与を示す図である。
【００５６】
ＧｉｂｂｓエネルギーＵは、島状電荷内の静電的充電エネルギー項と、ソースリード線８と島状電荷１０の異なる化学ポテンシャルに付随する項、の和として表現される。即ち、
0005198754.tif 000002
であり、ここでΔＶＤ（Ｑ）＝（Ｑ＋ＣＧＶＧ）／ＣΣである。
【００５７】
電子等の電荷キャリアの濃度は非一様である。この事実は、狭窄部分７におけるリード線８と島状電荷１０の該化学ポテンシャルの差Δμは該磁化配向に依存する、ことを示唆する。差Δμは、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓにおける不純物密度が減少するにつれて増大する、と考えられる。
【００５８】
ＧｉｂｂｓエネルギーＵは、Ｑ０＝−ＣＧ（ＶＧ＋ＶＭ）の時に最小となる。ここで、該クーロンブロッケード振動パターンの該磁化配向依存の移動は、ＶＭ＝ＣΣ／ＣＧΔμ（Ｍ）／ｅで与えられる。｜ＣＧＶＭ｜は該振動パターンの顕著な移動を生起する｜ｅ｜のオーダーであらねばならないので、対応する｜Δμ（Ｍ）｜はｅ２／ＣΣに近似したオーダー、即ち、該島状電荷の単一電子による充電エネルギーのオーダーであらねばならない。
【００５９】
前述のように、該単一電子による充電エネルギーは、数ｍｅＶのオーダーであると見積もれる。理論計算（図１１）によると、該磁化再配向に起因する該化学ポテンシャルの変化も数ｍｅＶのオーダーであり、従って該クーロンブロッケード異方性磁気抵抗（ＣＢＡＭＲ）効果を生起し得る、ことが確認される。
【００６０】
郡速度（と散乱寿命）又は状態トンネル密度の相対的異方性に付随して大きさがスケーリングされるオーム的又はトンネル効果的異方性磁気抵抗と異なり、該ＣＢＡＭＲ効果は、該磁化再配向に起因する化学ポテンシャルの変化の絶対値が該単一電子による充電エネルギーに匹敵する場合に発生する。ＣＢＡＭＲ効果が発生した場合、該磁化回転誘導された抵抗の変化は、単一電子トランジスタのクーロンブロッケード振動の大きさである。
【００６１】
前述した単一電子トランジスタ１は（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓの薄膜層に形成されたが、強いスピン−軌道結合を呈する他の強磁性物質も使用し得る。例えば、該磁化回転に起因する化学ポテンシャルの変化は、ＦｅＰｔ秩序合金において１０ｍｅＶに到達し得る（図１１）。従って、単一電子トランジスタ１は、遷移金属又は貴金属を含む物質の薄膜層に形成され得る。
【００６２】
更に、ＣＢＡＭＲ効果は、単一電子トランジスタ１の異なる構成要素２，８，９，１０において化学ポテンシャルの異方性の差が存在する時は常に発生し得る。この異方性の差が存在する状況は、リード線８，９、ゲート２、及び島状電荷１０を同一の強磁性物質を用いてしかしながら異なる磁化再配向を生起する異なる形状異方性に形成する、ことで用意される。又は、リード線８，９、ゲート２、及び島状電荷１０のうちの少なくとも一つを強度のスピン−軌道結合を呈する異なる強磁性物質から形成する、ことで用意される。
【００６３】
ＧａＭｎＡｓ薄膜における磁気異方性
該（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層４（図１）は、圧縮二軸歪みから生ずる、磁化容易軸＜１００＞を随伴する平面内の立体異方性、を呈する。
【００６４】
（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層４（図１）は又、キャリア密度に強く依存する、磁化困難軸＜１１０＞の一つに沿った顕著な一軸異方性、を呈する。
【００６５】
該一軸異方性は、微小な三方晶系的歪みを仮定した強磁性のｐ−ｄ  Ｚｅｎｅｒ模型、により説明できる。このような歪みは、リソグラフィ的に形状範囲を定義されたトランジスタ１のエッチングによる歪みに付随するか、又は、非等方的なＭｎ分布に起因する。
【００６６】
従って、ＧａＭｎＡｓ極薄膜からパターン形成された何らかの構造体は、［１−１０］方向に沿った軟軸を随伴する顕著な一軸異方性を呈する。該［１−１０］方向は、平面内でホールバー１４に垂直な方向に対応する。
【００６７】
図１１は、ｋ．ｐ．運動交換模型を用いてモデル化した一軸異方性に対する密度依存の化学ポテンシャルのグラフ３５１，３５２、を示す。なお、このモデル化は、Ｇａ０．９８Ｍｎ０．０２ＡｓとＧａ０．９５Ｍｎ０．０５Ａｓに対して微小な（０．１％）せん断歪みを仮定して実施された。用いられた該モデルは、仕事関数（即ち、真空レべルから測定した化学ポテンシャル）の全異方性の計算を可能にするものではない。しかしそれにもかかわらず、該モデルは、該平面内の磁化回転に起因する数ｍｅＶの化学ポテンシャルの変化を記述する。
【００６８】
図１１は又、ＣｏＰｔとＦｅＰｔの化学ポテンシャル３６１，３６２を示す。ＣｏＰｔとＦｅＰｔは、より大きな化学ポテンシャルの異方性を呈する。従って、これらの合金を該強磁性物質として採用すれば、本発明による該単一電子トランジスタがより高温でＣＢＡＭＲ効果を呈することが可能になる。
【００６９】
単一電子トランジスタ１の特性
図１２を参照すると、温度４．２°Ｋにおける、ゲート電圧ＶＧの関数としての単一電子トランジスタ１の狭窄部分７のクーロンブロッケードコンダクタンスＩ／ＶＣのグラフ３７、が図示されている。グラフ３７は、クーロンブロッケード振動から生ずる所謂「コンダクタンスダイヤモンド」３８、を示す。該クーロンブロッケード振動は、略１０°Ｋで消失する。
【００７０】
図１３を参照すると、ＶＳＤ＝３ｍＶで温度４．２°Ｋにおける、ゲート電圧ＶＧと磁場強度の関数としての単一電子トランジスタ１の狭窄部分７の抵抗ＲＣ（＝ＶＣ／Ｉ）のグラフ３９、が図示されている。該磁場は、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層４の平面内で印加されるが、ホールバー１４（図３）の長手軸とチャネル２（図１）に垂直である。単一電子トランジスタ１は、高い電気及び磁気感受性を呈する。
【００７１】
図１４を参照すると、単一電子トランジスタ１の狭窄部分７の抵抗ＲＣ（＝ＶＣ／Ｉ）の前方及び反転掃引グラフ４０１，４０２，４１１，４１２、が図示されている。抵抗ＲＣは、Ｂ＝２０ｍＴ、ＶＧ＝０．９４Ｖで略１００％低下して、ＶＧ＝１．１５Ｖで１０００％以上増大する。こうした抵抗の変化は、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓの磁化の回転に付随するものである。
【００７２】
素子製造
さて図１５ａ乃至１５ｃを参照して、単一電子トランジスタ１を含めたホールバー１４（図３）の製造プロセスを、以下に説明する。
【００７３】
図１５ａを参照すると、ホールバー１４（図３）が、Ｇａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓ極薄（５ｎｍ）エピタキシャル層４’から製造される。該エピタキシャル層４’は、低温分子ビームエピタキシーにより、ＧａＡｓ基板６上のＡｌＡｓバッファ層５’上で［００１］結晶軸に沿って成長する。「砒素二量体を随伴成長した上質ＧａＭｎＡｓ」、Ｒ．Ｐ．Ｃａｍｐｉｏｎ，Ｋ．Ｗ．Ｅｄｍｏｎｄｓ，Ｌ．Ｘ．Ｚｈａｏ，Ｋ．Ｙ．Ｗａｎｇ，Ｃ．Ｔ．Ｆｏｘｏｎ，Ｂ．Ｌ．Ｇａｌｌａｇｈｅｒ  ａｎｄ  Ｃ．Ｒ．Ｓｔａｄｄｏｎ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ，ｖｏｌｕｍｅ  ２４７，ｐ  ４２（２００３）、を参照せよ。
【００７４】
光リソグラフィにおいて使用されるアルカリ現像液に対する該ＧａＭｎＡｓ層の高反応性により、２５℃でメチルイソブチルケトン−イソプロパノール１：３の混合物中で超音波を用いて現像するポリメチルメタクリル酸（ＰＭＭＡ）のレジストを用いた電子ビームリソグラフィで、ホールバー１４は形状範囲を定義される。
【００７５】
各々２０ｎｍと６０ｎｍ厚の熱蒸着された高電子コントラストＣｒ／Ａｕレジストレーションマーク（図示せず）が、１μｍ厚のレジスト（図示せず）と略２５０ｎｍの電子ビーム径を用いてリフトオフによりパターン形成される。該蒸着以前に１０％ＨＣＬ溶液に３０秒間浸して、該ＧａＭｎＡｓを過度に害することなく金属の密着を支援する。
【００７６】
略２００ｎｍ厚のレジスト層（図示せず）を、該Ｇａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓエピタキシャル層４’の表面４２に塗布する。略１５ｎｍの電子ビーム径と略５ｐＡの電流を有する電子ビーム（図示せず）を用いた、隣接するレジストレーションマークへのオンチップの焦点合わせにより、該形状範囲が最高精度で定義される。より重要でない領域（図示せず）は、同一のレジストで略２５０ｎｍの電子ビームと略１ｎＡの電流により定義される。該高解像度領域は可能な限り小さく設定されて、書き込み時間とパターンドリフトを最小化する。
【００７７】
図１５ｂを参照すると、該レジストは現像されて、パターン形成されたレジスト層４３がエッチングマスクとして残存する。
【００７８】
図１５ｃを参照すると、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）がトレンチアイソレーションに使用される。ＲＩＥ付随の電気伝導性障害は、該ＧａＭｎＡｓの高電気伝導性と比較して最小限であると期待できる。ＲＩＥチャンバー（図示せず）内の圧力は、ＳｉＣｌ４とＡｒの双方の２０ｓｃｃｍ流で２０ｍＴｏｒｒに等しい。この値は、ＧａＡｓとＭｎの双方の除去に最適な物理的化学的エッチング作業の必要な混合を与える値である。１００Ｗで１０−１５秒間の典型的なエッチングで、深さ２０−３０ｎｍのトレンチ４４が該ＧａＭｎＡｓ層を貫通して問題なく形成された。
【００７９】
Ｃｒ／Ａｕ（２０ｎｍ／３００ｎｍ）結合パッドは、再び事前にＨＣＬ溶液に密着の為に浸されてから、熱蒸着される。該結合パッドは、ＧａＭｎＡｓ層に対する低抵抗の電気コンタクトを形成する。従って、独立したオーム的な金属蒸着は必要ない。
【００８０】
この例では、２μｍ幅のチャネルと狭窄部分７の両側に１０μｍ間隔で配置された５００ｎｍ幅の三対のホールセンサターミナルを含む、［１１０］方向に整列されたホールバー構成に、本発明による該素子は配備された。しかしながら、他の構成も使用し得る。
【００８１】
素子動作
前述のように、単一電子トランジスタ１は、電場と磁場の双方に対して敏感である。該クーロンブロッケード振動パターンの弱電場、磁場によって誘起されるヒステリシス的な移動は、単一電子トランジスタ１において誘導される。更に、単一電子トランジスタ１は、不揮発性メモリ効果を呈するものである。この不揮発性メモリ効果においては、略１ＭΩのオーダーの低抵抗状態を「オン」状態に、又、略１０ＭΩ（以上）のオーダーの高抵抗状態を「オフ」状態に、対応させる。
【００８２】
従来の非磁気的な単一電子トランジスタにおいては、該クーロンブロッケード「オン」（低抵抗）状態と「オフ」（高抵抗）状態を用いて、論理的な「１」と「０」を表現していた。更に、これら両状態間の切り替えは、従来の電界効果型トランジスタと同様に、ゲート電圧の印加により実現されていた。
【００８３】
本発明の該単一電子トランジスタ１は、従来の非磁気的な単一電子トランジスタと同様に電気的に操作され得るのみならず、その電気及び磁気モードにおいて「オン」状態から「オフ」状態への抵抗比を用いて磁気的にも操作され得る。
【００８４】
更に、該磁化は再配向され得る。従って、以下に説明するように、単一電子トランジスタ１の状態は、磁気的に又は電気的に「１」と「０」の状態間を変化させ得る。
【００８５】
磁場誘導された切り替え
図１６を参照すると、この場合一つの島状電荷１０（図１）の磁化Ｍ０とＭ１に対応する二つのクーロンブロッケード振動曲線４５１，４５２、が図示されている。
【００８６】
又図１７を参照すると、磁化Ｍ０は、磁場内で小さいループＢ→Ｂ０→０を形成することで設定され得る。ここで、Ｂ０は第一切り替え磁場Ｂｃ１より大きく第二切り替え磁場Ｂｃ２より小さい。磁化Ｍ１は、磁場内で大きいループＢ→Ｂ１→０を形成することで設定され得る。ここで、Ｂ１＜−Ｂｃ２である。
【００８７】
今、単一電子トランジスタ１のシステムがＭ１状態に在ると仮定すると、その電気モードにおいて、ゲート電圧ＶＧ０は高抵抗で「オフ」状態なので「０」に対応し、ゲート電圧ＶＧ１は低抵抗で「オン」状態なので「１」に対応する。逆に、ゲート電圧をＶＧ１に固定した状況で該システムの磁化状態をＭ１状態からＭ０状態へ変化させることにより、「１」から「０」への切り替えが実現される。該システムの磁気モードは、その磁気ヒステリシス性により、不揮発性メモリ効果を発現する。
【００８８】
電場誘導された切り替え
再び図１を参照すると、単一電子トランジスタ１において、ゲート２は該キャリア密度を変える為に使用され得る。前述のように、一軸異方性は他の何よりもキャリア密度に依存する。従って、ゲート２は、一軸異方性を制御し従って一軸異方性か又は二軸（又は立体）異方性のどちらが支配的であるかを制御する、為に使用され得る。
【００８９】
図１８ａ乃至１８ｃは、異なる三つのゲート電圧（即ち、各々ＶＧ＝Ｖ１、ＶＧ＝０及びＶＧ＝Ｖ２）での異なる磁化角度における、島状電荷１０の第一、第二及び第三例証的ポテンシャル分布４６１，４６２，４６３と安定した磁化状態Ｍ０、−Ｍ０、Ｍ１、−Ｍ１、を示す。該磁化角度θ＝０°、４５°、９０°、１３５°及び１８０°は、例えば［１−１０］、［１００］、［１１０］、［０１０］及び［−１１０］に対応する。
【００９０】
図１８ａを参照すると、一軸異方性は維持（ないしは増幅さえ）されているが、立体異方性はＶＧ＝Ｖ１で抑制されており、従って磁化Ｍ１に有利な状況である。
【００９１】
図１８ｂを参照すると、Ｍｎ添加濃度は、一軸異方性と立体異方性の双方に対する充分に孤立したエネルギー最小値がＶＧ＝０で存在する、という状況を与える添加濃度である。
【００９２】
図１８ｃを参照すると、立体異方性がＶＧ＝Ｖ２で一軸異方性を圧倒し支配的であり、従って磁化Ｍ０に有利な状況である。
【００９３】
従って、ＶＧ＝Ｖ１又はＶ２を印加することにより、磁化が変化する。しかしながら、印加したＶＧを消去しても該磁化は残存する。
【００９４】
図１９を参照すると、グラフ４７，４８は、ゲート電圧の変化が抵抗ＲＣの測定可能な変化を時間と共に如何に生起するか、を示している。
【００９５】
図２０を参照すると、ＶＳＤ＝３ｍＶで温度４．２°Ｋにおける、ゲート電圧ＶＧと平面内平行磁場強度に対するコンダクタンス（Ｉ／ＶＣ）の諧調グラフ４９、が図示されている。印加された磁場配向は、このシステムの磁化困難軸の一つに対応する。破線５０は、ゲートバイアスに強く依存する臨界再配向磁場を示している。
【００９６】
図２１ａ，２１ｂを参照すると、ＶＧ＝−０．９６ＶとＶＧ＝０．９７Ｖにおけるコンダクタンスのグラフ５１１，５１２，５２１，５２２、が図示されている。該グラフは、第一臨界再配向磁場のＶＧ＝−０．９６Ｖでの約０．０４ＴからＶＧ＝０．９７Ｖでの０．０２Ｔ以下までの実質的な減少を強調している。
【００９７】
図２２を参照すると、各々Ｂ＝０Ｔ，Ｂ＝−０．１Ｔ，Ｂ＝−０．０２２Ｔ，及びＢ＝−０．０３５Ｔのゲートバイアスに対するコンダクタンスの変化を示すグラフ５３１，５３２，５３３，５３４、が図示されている。
【００９８】
Ｂ＝０Ｔで、島状電荷１０は、ＶＧ＝−１ＶからＶＧ＝１Ｖ間のゲート電圧範囲において磁化状態Ｍ０に残存している。同様に、Ｂ＝−０．１Ｔで、島状電荷１０は、該ゲート電圧範囲において磁化状態Ｍ１に残存している。
【００９９】
しかしながら、中間的な磁場強度Ｂ＝−０．０２２Ｔ及びＢ＝−０．０３５Ｔで、島状電荷１０は、各々約０．６Ｖと−０．５Ｖの臨界ゲート電圧においてＭ０からＭ１への遷移を経る。
【０１００】
従って、電場支援の磁化再配向は、従来の電界効果型トランジスタと比較してより低ゲート電圧において観測される。
【０１０１】
図２３，２４を参照すると、単一電子トランジスタ１を用いた情報の操作及び格納プロセス、が図示されている。図２４は、状態を操作する指示を含むテーブルを示す。ゲート電圧ＶＧ０においては、単一電子トランジスタ１のシステムは、磁化がＭ＝Ｍ１であれば低抵抗（「１」）状態に在るが、磁化がＭ＝Ｍ０であれば高抵抗（「０」）状態に在る。ゲート電圧ＶＧ１においては、逆の関係が成立する。従って、トランジスタ特性は逆転され得る。
【０１０２】
他の素子
前述の単一電子トランジスタ１において、ゲート２、リード線８，９、及び島状電荷１０の各々の化学ポテンシャルは、各々の磁化再配向に依存する。該各々の化学ポテンシャルは、その差が島状電荷の充電エネルギーのオーダーで且つｋＢＴ以上のオーダーである範囲内において、相互に異なる。
【０１０３】
しかしながら、単一電子トランジスタ１の各領域又は要素２，８，９，１０がすべて強磁性的である必要はない。例えば、これらの領域２，８，９，１０のうち少なくとも一個以上が強磁性的であれば良い。
【０１０４】
更に、該複数個のリード線と島状電荷は同一の強磁性物質から形成し得るが、その磁化は任意の方向に沿って固定且つ／又は安定化させて良い。この固定且つ／又は安定化は、例えば、一つ以上の島状電荷等のこれらの領域の幾つかの形状異方性か又は交換結合構造により実現される。
【０１０５】
一般的素子
図２５を参照すると、本発明による素子５４は、第一及び第二リード線５５，５６、少なくとも一つの伝導性島状電荷５７、及び選択的に少なくとも一つのゲート５８、を備える。該素子５４の少なくとも一つの要素５５，５６，５７，５８が強磁性物質から形成され、その磁場配向は外部磁場又はゲート５８により変化され得る。この例では、素子５４のすべての伝導性要素５５，５６，５７，５８が強磁性的であり、磁化ＭＬ１、ＭＬ２、Ｍｉ、ＭＧを有する。従って、伝導性要素５５，５６，５７，５８の化学ポテンシャルμＬ１、μＬ２、μｉ、μＧは、該磁化ＭＬ１、ＭＬ２、Ｍｉ、ＭＧに依存する。即ち、μＬ１（ＭＬ１）、μＬ２（ＭＬ２）、μｉ（Ｍｉ）、μＧ（ＭＧ）である。
【０１０６】
簡単の為に、唯一つの島状電荷５７が、図示され説明されている。しかしながら、例えばＥＰ−Ａ−０６７４７９８に開示されているのと類似した多重トンネル結合（ＭＴＪ）構成におけるように、素子５４は一個以上の島状電荷を有し得る。
【０１０７】
島状電荷５７は、トンネル障壁５９，６０を介してリード線５５，５６に弱く結合されている。トンネル障壁５９，６０は各々、電子を局所化する為の約１３ＫΩの量子コンダクタンス２ｅ２／ｈ（ここで、ｈはプランク定数）の逆数より大きい抵抗、を有する。
【０１０８】
素子５４が任意の温度Ｔにおいて動作する為には、島状電荷の充電エネルギーｅ２／２ＣＩＳＬＡＮＤは、熱エネルギーｋＢＴ（ここで、ｋＢはボルツマン定数）以上でなければならない。従って、素子５４が７７°Ｋ（即ち、液体窒素の沸点）又は約２９３°Ｋ（即ち、室温）において動作する為には、島状電荷の容量ＣＩＳＬＡＮＤは、各々１２ａＦと３ａＦ以下でなければならない。
【０１０９】
該磁化再配向前後における素子５４の異なる要素５５，５６，５７，５８間の化学ポテンシャルの相対的な変化は、該充電エネルギーのオーダーであり、例えば７７°Ｋと２９３°Ｋで約６ｍｅＶと２５ｍｅＶである。
【０１１０】
素子５４は、例えば、前述の単一電子トランジスタ１と同様の仕方で、強磁性エピタキシャル層から製造され得る。又は、「強磁性単一電子トランジスタにおける高磁気バルブ効果と磁気−クーロンブロッケード振動」に開示されているのと同様の仕方で、続けて蒸着される強磁性物質層から製造され得る。
【０１１１】
水平素子
図２６，２７を参照すると、素子５４は、強い磁気異方性を示す強磁性物質の層６１内に形成され得る。層６１は、伝導性基板６３上の絶縁物質の層６２上に成長する。層６１は、（裏）ゲート６８を形成し、コンタクト６４を介して制御される。強磁性物質層６１は、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓから形成され得て、厚さは５ｎｍである。絶縁層６２は、ＡｌＡｓから形成され得て、厚さは２０ｎｍである。伝導性基板６３は、ｎ−ＧａＡｓから形成され得る。
【０１１２】
例えば、「ＴｉＯｘ／Ｔｉ系に対する走査型トンネル顕微鏡使用のナノ酸化処理により製造された単一電子トランジスタの室温動作」に開示されているように、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）又は原子力間顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて強磁性物質層６１を局所的に酸化し、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いたドライエッチングか又は直接コンタクトリソグラフィと（ウェット又はドライ）エッチング用いたエッチングにより狭い障壁をパターン形成する、ことにより島状電荷５７はその形状範囲を定義される。
【０１１３】
形状異方性は、島状電荷５７とリード線５６の磁化をｘ方向に、又、リード線５５の磁化をｙ又は−ｙ方向に強制配向する為に利用される。外部磁場ＢＥＸＴを印加することにより、例えば、島状電荷５７の磁化ＭｉをＢＥＸＴの方向に整列させることが可能になる。
【０１１４】
代替構成として、素子５４は、リード線５５，５６のうちの一つのリード線の磁化ＭＬ１、ＭＬ２が、他のリード線５５，５６と島状電荷５７の磁化ＭＬ１、ＭＬ２、Ｍｉに対して回転する、という構成でも良い。
【０１１５】
垂直素子
図２８，２９を参照すると、素子５４は、複数の重畳された層６５，６６，６７，６８，６９から形成され得て、環状のゲート構成７１を有する柱７０として構成される。柱７０は、５０ｎｍ以下の直径を有し、電子ビームリソグラフィと異方性ドライエッチングにより形状範囲を定義される。
【０１１６】
リード線５５，５６はＧａＡｓ等の非強磁性物質から形成され、トンネル障壁５９，６０はＡｌＡｓ又はＡｌＧａＡｓ等の絶縁性物質から形成され、島状電荷５７は（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ等の強磁性物質から形成され得る。
【０１１７】
代替構成として、ＩｎＧａＡｓ等の非強磁性物質上で、リード線５５，５６はＧａＡｓ等の強磁性物質から形成され、トンネル障壁５９，６０はＡｌＡｓ又はＡｌＧａＡｓ等の絶縁性物質から形成され、島状電荷５７は（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ等の強磁性物質から形成される、という構成でも良い。
【０１１８】
環状のゲート構成７１は、同心円状の内絶縁層７２と同心円状の外ゲート５８、を備える。例えばＭＢＥにより成長して、絶縁層７２はＡｌＡｓから形成され、ゲート５８は（強磁性の）ＧａＭｎＡｓ又は（非強磁性の）ＧａＡｓから形成され得る。代替構成として、絶縁層７２はＣＶＤ又はスパッタリングにより堆積されたＳｉ３Ｎ４から形成され、ゲート５８はスパッタリング又は熱蒸着により堆積された（強磁性の）ＦｅＰＴ又は（非強磁性の）Ａｌから形成され得る。
【０１１９】
図２９を参照すると、島状電荷５７は、以下のように自己組織化させ得る。即ち、第一絶縁物質層６６’上でＳｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ成長モードにおいて分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）により、ＩｎＧａＡｓ等の半導体薄膜層６７’を成長させ、次に第二絶縁物質層６８’を成長させる。このようにして、島状電荷５７は、該絶縁物質内に埋設して形成される。
【０１２０】
前述のように、リード線５５，５６且つ／又は島状電荷５７は強磁性的であり得る。外部磁場ＢＥＸＴがその方向に該島状電荷の磁化を安定化させるならば、島状電荷の磁化の熱的安定性は必ずしも必要ではない。外部磁場ＢＥＸＴは、該磁化に感知されつつある磁場であり得る。
【０１２１】
図３０を参照すると、該形状異方性は、磁気層の磁気モーメントと（該磁気モーメント自体から誘起された）反磁場との間の相互作用、から発生し得る。従って、形状異方性は、該磁化Ｍの平面内の配向に対して有利に働き、又、強磁性層の周囲形状７２に依存する。
【０１２２】
図３１を参照すると、島状電荷５７等の磁場感受性の強磁性領域は非常に小さく、零印加の磁場ＨＥＸＴ＝Ｏにおける該磁化は熱的に不安定になる。この状況にもかかわらず、該磁化に感知された外部磁場は、Ｚｅｅｍａｎ効果を介してその外部磁場方向に該磁化を安定化させ得る。この時の対応するＺｅｅｍａｎエネルギーＥＺ〜ＭＳＨＥＸＴＶＦＭは、１０３ｅｍｕ／ｃｍ３のオーダーの飽和磁化ＭＳを有する典型的な金属強磁性体に対して（１０×１０×５）ｎｍ３の強磁性領域の体積を仮定して、１ｍｅＶ／Ｏｅのオーダーである。
【０１２３】
強磁性物質
本発明の幾つかの実施例において、該強磁性領域は、希薄磁気半導体（ＤＭＳ）からも形成され得る。しかしながら、強磁性領域は、強磁性金属と合金から形成され得る。
【０１２４】
ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ及びＣｏＰｄ秩序合金等の幾つかの強磁性物質は、強度のスピン−軌道結合を呈する。これらから形成されるシステムにおいて、遷移金属は、室温より充分に高いキュリー温度において大きな交換分裂を呈する。一方、重い元素であるＰｔは、合金のバンド構造においてスピン−軌道結合の強度を実質的に増大させる。ＦｅＰｔとＣｏＰｔの計算された化学ポテンシャルの異方性が、図１１に示されている。
【０１２５】
他の強磁性物質として、Ｄｙ、Ｅｒ、又はＨｏ等の、占有された４ｆ電子のエネルギー準位を有する希土類金属を含む合金、が使用され得る。
【０１２６】
ハードデイスクのヘッド
図３２を参照すると、素子５４は、複数の重畳された層７２，７３，７４，７５，７６から形成され得て、最上面−側面ゲート構成７７を有する素子として構成される。
【０１２７】
第一及び第二伝導層７３，７５はリード線５５，５６を構成し、Ｗ又はＴｉ等の非強磁性伝導性物質から形成され得る。伝導層７３，７５間に挟置された絶縁層７４は、強磁性伝導性島状電荷５７とトンネル障壁５９，６０を含む。絶縁層７４はＳｉ３Ｎ４又はＳｉＯ２から形成され、強磁性伝導性島状電荷５７はＣｏＰｔ又はＦｅＰｄ等の強磁性物質から形成され得る。伝導性島状電荷５７は直径ｄを有し、該直径ｄは例えば２から５ｎｍ間の、１ｎｍのオーダーである。絶縁層７４は、厚さｔを有する。トンネル障壁５９，６０は、Ｓｉ３Ｎ４に対して３から７ｎｍ間の、ＳｉＯ２に対して１から４ｎｍ間の厚さｓを有する。ここで、ｔ、ｓ間の関係として、ｓ＝０．５（ｔ−ｄ）が按配される。第一及び第二伝導層７３，７５は、１０ｎｍのオーダーの厚さを有する。
【０１２８】
ゲート５８は、Ｗ又はＴｉ等の非強磁性伝導性物質から形成され、Ｓｉ３Ｎ４又はＳｉＯ２等のゲート絶縁体７６により絶縁される。
素子５４は、シリコン又は水晶の基板７２上に形成される。
【０１２９】
本発明による素子は、スピン工学機能と単一電子工学機能の組み合わせ、を提供し得る。これにより、該素子は、トランジスタ且つ／又は不揮発性メモリとして動作可能となる。
【０１３０】
本発明による三対のターミナルを有する素子は、ｎチャネル且つ／又はｐチャネル電界効果型トランジスタに対応するトランジスタ特性を有して動作し得る。該ｎチャネル特性とｐチャネル特性間の切り替えは、該素子をその「磁気モード」において動作させることにより実現される。該磁気モードは、磁場か又は電場の印加により実装される。
【０１３１】
更に、該スピン工学機能と単一電子工学機能の組み合わせにより、制御ＮＯＴ演算等の論理機能が簡単に実現可能となる。
【０１３２】
本発明による素子は、トランジスタを何ら追加する必要のない信号増幅、を提供し得る。従って、該不揮発性メモリは、電子部品をほとんど追加することなく実装可能となる。
【０１３３】
本発明による素子は、該電子輸送が単一電子の輸送に基づいているので、電力消費がほとんど必要ない。
【０１３４】
本発明による素子は、熱的安定性を実現し得る。その理由は、素子の強磁性領域が、リード線やゲート等のサイズの大きな構成要素を用いて構成され得るからである。これにより、（素子のサイズが縮小されるにつれてＭＲＡＭやＨＤＤセンサへの応用で問題となる）超常磁性限界や磁気ノイズから生ずる熱的不安定性、を抑制し得る。
【０１３５】
二つの強磁性領域間の相対的配向が素子の抵抗状態を定義する従来のＧＭＲ及びＴＭＲ素子と異なり、本発明による素子は、該磁気領域の磁化を結晶配向且つ／又は電流方向に対して一意的に再配向することにより、（「磁気モード」で）動作させ得る。従って、「磁気モード」で動作させた素子の状態は、単一の磁気領域の磁化再配向により定義され得る。従来のＧＭＲ及びＴＭＲ素子において熱的安定性を与える為に必要な追加的な「ピン留め層」の使用は、必要ない。
【０１３６】
該磁場感受性の強磁性領域は非常に小さく零印加の磁場ＨＥＸＴ＝Ｏにおける該磁化は熱的に不安定になるにしても、本発明によるセンサに対しては、該磁化に感知された外部磁場はＺｅｅｍａｎ効果を介してその外部磁場方向に該磁化を安定化させ得る。
【０１３７】
本発明によるセンサを磁気モードで動作させた場合、該センサは超高磁気感受性を呈し得る。
【０１３８】
本発明による素子は、電場誘導の磁化反転を利用した不揮発性メモリ機能、を呈し得る。
【０１３９】
本発明による素子は、該ゲート、リード線、及び島状電荷等の構成要素がパターン形成された単一の物質層から形成され得る単純な素子構造、を有し得る。更に、素子のサイズは縮小され得る。
【０１４０】
（産業上の利用可能性）
多くの変更が、前述の実施例に対して為され得ることが理解されよう。例えば、該強磁性層は、５から２０ｎｍ間の異なる厚さを有し得る。強磁性領域は、該非強磁性領域が強磁性領域の磁化配向に対して偏向するように、非強磁性領域に対して近接配置され得る。本発明による該素子は、電子又はホール輸送に基づいて動作させ得る。覆層が、該ＧａＭｎＡｓ層を防護する為に使用し得る。
【図面の簡単な説明】
【０１４１】
【図１】本発明による単一電子トランジスタの透視模式図である。
【図２】図１の単一電子トランジスタの電子ビームによるマイクログラフを示す図である。
【図３】図１の単一電子トランジスタと試験構造体を含むホールバーの模式平面図である。
【図４】図３の試験構造体における磁場に対する抵抗のグラフを示す図である。
【図５】図１の単一電子トランジスタにおける磁場に対する抵抗のグラフを示す図である。
【図６】図１の単一電子トランジスタにおける、異なるゲート電圧における磁場配向に対する抵抗のグラフを示す図である。
【図７】図１の単一電子トランジスタにおける磁場配向に対する抵抗のグラフを示す図である。
【図８】単一電子トランジスタの回路モデルを示す図である。
【図９】図１の単一電子トランジスタにおける電流−抵抗グラフを示す図である。
【図１０】単一電子トランジスタのリード線から島状電荷への電荷の輸送に付随するＧｉｂｂｓエネルギーへのエネルギー寄与を示す図である。
【図１１】ｋ．ｐ．運動交換模型を用いてモデル化した一軸異方性に対する密度依存の化学ポテンシャルのグラフを示す図である。
【図１２】図１の単一電子トランジスタにおけるゲート電圧の関数としてのクーロンブロッケードコンダクタンスのグラフを示す図である。
【図１３】図１の単一電子トランジスタにおけるゲートバイアスと磁場強度の関数としての抵抗のグラフを示す図である。
【図１４】図１の単一電子トランジスタにおける磁場に対する抵抗のグラフを示す図である。
【図１５】図１の単一電子トランジスタの製造プロセスの各段階を示す図である。
【図１６】図１の単一電子トランジスタにおけるクーロンブロッケード振動曲線を示す図である。
【図１７】図１の単一電子トランジスタにおける磁場に対する抵抗のグラフを示す図である。
【図１８】異なる磁化角度における例証的ポテンシャル分布と安定した磁化状態を示す図である。
【図１９】状態の電気的切り替えを示す図である。
【図２０】図１の単一電子トランジスタにおける磁場の関数としてのコンダクタンスの諧調グラフを示す図である。
【図２１】図１の単一電子トランジスタにおける磁場の関数としてのコンダクタンスのグラフを示す図である。
【図２２】図１の単一電子トランジスタにおける、Ｂ＝０Ｔ，Ｂ＝−０．１Ｔ，Ｂ＝−０．０２２Ｔ，及びＢ＝−０．０３５Ｔにおけるゲートバイアスに対するコンダクタンスのグラフを示す図である。
【図２３】図１の単一電子トランジスタを用いた情報の操作及び格納プロセスを示す図である。
【図２４】状態テーブルを示す図である。
【図２５】本発明による一般的な素子の模式図である。
【図２６】本発明による水平方向の伝導素子を示す図である。
【図２７】図２６の素子のＡ−Ａ‘線に沿った断面図である。
【図２８】本発明による垂直方向の伝導素子を示す図である。
【図２９】自己組織化した島状電荷を示す図である。
【図３０】形状異方性を示す図である。
【図３１】外場における強磁性領域の磁化安定化を示す図である。
【図３２】本発明によるヘッドを示す図である。
【符号の説明】
【０１４２】
１  単一電子トランジスタ
２  チャネル
３  側ゲート
４  （Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓパターン層
５  ＡｌＡｓ層
６  ＧａＡｓ基板
７  狭窄部分
８，９  リード線
１０  伝導性島状電荷
１１  トンネル障壁
１３  試験構造体
１４ホールバー
１６  電圧源
１７  電流計
１８  第一電圧計
１９  第二電圧計
２０  第二電圧源
３０  回路モデル
５４  素子、
５５，５６  第一及び第二リード線
５７  伝導性島状電荷
５８  ゲート
５９，６０  トンネル障壁
６１  強磁性層
６２  絶縁層
６３  伝導性基板
６４  コンタクト
６８  裏ゲート
６５，６６，６７，６８，６９  重畳層
７０  柱
７２  基板
７３，７５  第一及び第二伝導層
７４  絶縁層
７６  ゲート絶縁体
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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