(57)【要約】【課題】強磁性体のスピン偏極率に依存せずに、高いスピン偏極率の状態を強磁性体層より半導体層中に生成できるようにする。【解決手段】強磁性を示す金属が不純物としてドープされた半導体から構成された半導体層１０１と、強磁性体から構成されて半導体層１０１に接合して形成された強磁性体層１０２とを備える。半導体層１０１は、例えば、ＧａＡｓから構成し、強磁性体層１０２は、Ｆｅから構成すれば良い。また、半導体層１０１は、例えば、ＧａＡｓから構成し、強磁性体層１０２は、ＣｏＦｅＢから構成してもよい。また、半導体層１０１は、例えば、ＧａＡｓから構成し、強磁性体層１０２は、ＧａＭｎＡｓから構成してもよい。また、半導体層１０１にドープする強磁性金属は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれかであれば良い。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性を示す金属が不純物としてドープされた半導体から構成された半導体層と、
強磁性体から構成されて前記半導体層に接合して形成された強磁性体層と
を備えることを特徴とする接合構造。
【請求項２】
請求項１記載の接合構造において、
前記金属は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれかであることを特徴とする接合構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強磁性体層より半導体層にスピン注入がされる接合構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代の技術として、半導体中のキャリアスピンを用いたスピントランジスタなどの半導体スピントロニクスと呼ばれる分野が注目されている。この分野では、半導体における高効率なスピン流生成が基盤技術となる。例えば、スピントランジスタでは、ソース・ドレインを金属の強磁性体から構成している。このような強磁性体と半導体との接合を用いたスピン注入では、強磁性体中のスピン偏極率に比例したスピン流を、半導体中で生成することが可能となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】H. J. Zhu et al., "Room-Temperature Spin Injection from Fe into GaAs", PHYSICAL REVIEW LETTERS, vol.87, no.1, 016601, 2001.
【非特許文献２】P. Van Dorpe et al., "Very high spin polarization in GaAs by injection from a (Ga,Mn)As Zener diode", APPLIED PHYSICS LETTERS, vol.84, no.18, pp.3495-3497, 2004.
【非特許文献３】R. Fiederling et al., "Injection and detection of a spin-polarized current in a light-emitting diode", NATURE, vol.402, pp.787-790, 1999.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した強磁性体と半導体との接合では、半導体中で得られるスピン偏極率が強磁性体材料に依存するため、高いスピン偏極率の材料を探索する必要がある。例えば、スピンを利用して電流のスイッチング機能を持たせるスピントランジスタなどの電流ＯＮ／ＯＦＦ比は、流れる電流のスピン偏極率に依存する。強磁性体／半導体接合を用いた場合、半導体に注入されるスピン偏極率は強磁性体のスピン偏極率により決まってしまうため、より高いスピン偏極率を有する強磁性体材料を開発する必要があった。
【０００５】
加えて、高効率スピン注入には、半導体と高品位な接合界面が形成できる条件が必要となる。ところが、広く用いられているＧａＡｓやＩｎＧａＡｓ半導体に格子整合し高品位な結晶成長ができる強磁性体は、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＭｎＳｉなどに限られている。これらの中でも、さらに高いスピン偏極率を有する強磁性体はさらに限られるため、強磁性体のスピン偏極率に依らないスピン偏極生成の技術が望まれている。
【０００６】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、強磁性体のスピン偏極率に依存せずに、高いスピン偏極率の状態を強磁性体層より半導体層中に生成できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る接合構造は、強磁性を示す金属が不純物としてドープされた半導体から構成された半導体層と、強磁性体から構成されて半導体層に接合して形成された強磁性体層とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明したことにより、本発明によれば、強磁性体のスピン偏極率に依存せずに、高いスピン偏極率の状態を強磁性体層より半導体層中に生成できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における接合構造の構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における接合構造の構成を示す構成図である。図１では、接合構造の断面を模式的に示している。
【００１１】
この接合構造は、強磁性を示す金属が不純物としてドープされた半導体から構成された半導体層１０１と、強磁性体から構成されて半導体層１０１に接合して形成された強磁性体層１０２とを備える。
【００１２】
半導体層１０１は、例えば、ＧａＡｓなどの化合物半導体から構成し、強磁性体層１０２は、Ｆｅから構成すれば良い。また、半導体層１０１は、例えば、ＧａＡｓから構成し、強磁性体層１０２は、ＣｏＦｅＢから構成してもよい。また、半導体層１０１は、例えば、ＧａＡｓから構成し、強磁性体層１０２は、ＧａＭｎＡｓから構成してもよい。また、半導体層１０１にドープする強磁性を示す金属（強磁性体金属）は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれかであれば良い。また、強磁性体金属は、１０16〜１０18ｃｍ-3程度の不純物濃度となるように、半導体層１０１にドープすれば良い。
【００１３】
半導体中に強磁性体を不純物としてドーピング（導入）することで、上向きスピンと下向きスピンに対し異方的なスピン緩和時間を生み出すことができる。一方、ドーピングをしても、電気伝導は、半導体の状態密度でのみ決まるため変化しない。この結果、強磁性体をドーピングした半導体は、上向きスピンと下向きスピンに対し電気伝導に差は生まれないがスピン緩和に異方性が生じる。
【００１４】
この状態で、バイアス電圧を印加し、接合しているＦｅやＣｏなどの強磁性体層から半導体層にスピン注入する。強磁性体層と半導体層との界面では、化学ポテンシャルに差が生じ、スピン蓄積が生じる。界面に蓄積されたスピンは、半導体層においてスピン緩和する。ただし、上述したように異方的なスピン緩和のため、界面からの距離に依存して上向きスピンと下向きスピンは異なる化学ポテンシャルの減少を示す。
【００１５】
化学ポテンシャルの空間変化がスピン偏極電流を生み出すため、上向きスピンと下向きスピンで異なる量のスピン偏極電流が生じることになる(詳細は後述）。この異方的なスピン緩和によって、半導体層に新たにスピン偏極が生成される。新たに生まれるスピン偏極は、スピン偏極率が強磁性体の伝導度に依らず、上向きスピンと下向きスピンのスピン緩和の差によってのみ決定される。この結果、スピン注入層となる強磁性体の伝導度に左右されずにスピン偏極率を設計することができる。加えて、スピン偏極率が、半導体層における接合面からの距離に依らないため、より長い距離までスピンを輸送させることが可能となる。
【００１６】
以下、より詳細に説明する。まず、図１に示すように、半導体層１０１と強磁性体層１０２との界面位置をｘ＝０とし、−ｘ方向に強磁性体層１０２が形成され、＋ｘ方向に半導体層１０１が形成されたものとする。半導体層１０１および強磁性体層１０２は、スピン緩和長よりも短い径とされた１次元細線構造とされている。このような１次元細線構造とされている半導体層１０１においては、電子が径方向に動けない（２次元的に動けない）状態であり、半導体層１０１は、＋ｘ方向に延在する電子のチャネルとなる。この構成とすることで、２次元的に動く電子で生じる電子のスピン緩和の効果を考慮する必要が無くなり、以下に示す計算をより簡略化することができる。
【００１７】
強磁性を示す金属が不純物としてドープされている半導体層１０１においては、スピンの向きに依存したスピン緩和が生じる。この状態では、上向きスピンと下向きスピンとで、スピン緩和時間が異なる。一方、半導体層１０１における電気伝導は、半導体のバンド構造のみで決まり、ドープされている磁性不純物は局在準位として作用する。
【００１８】
このような構成の半導体層１０１と強磁性体層１０２との接合構造において、強磁性体層１０２から半導体層１０１へのスピン注入を考える。強磁性体層１０２から注入されるスピンは、半導体層１０１において、接合している界面位置より離れる＋ｘ方向に拡散する。半導体層１０１と強磁性体層１０２との界面ではスピン蓄積が生じる。ただし、注入されたスピンに対し上向きスピンと下向きスピンではスピン緩和時間、もしくはスピン緩和長が異なる。このスピン緩和の異方性により、半導体層１０１の内部に蓄積されるスピン偏極電子は、強磁性体層１０２におけるスピン偏極率に依存せず、定常状態でスピン偏極電子を蓄積することができる。
【００１９】
図１に示した細線構造による１次元状の半導体層１０１における上向きスピンと下向きスピンの化学ポテンシャルμi（ｉ＝Ｆ（強磁性体）ｏｒＳ（半導体））は、下記の式で記述できる。
【００２０】
【数１】
2016213226.tif 000003
【００２１】
これらの式より、半導体層１０１および強磁性体層１０２におけるスピン依存化学ポテンシャルおよび電流は、以下の式で示されるものとなる。
【００２２】
【数２】
2016213226.tif 000004
【００２３】
なお、強磁性体層１０２におけるスピンに依存した伝導度はσi（ｉ＝↑ｏｒ↓）と定義し、半導体層１０１における伝導度はσSとし、強磁性体層１０２におけるスピン緩和長はλFとし、半導体層１０１におけるスピン依存スピン緩和長は、以下に示すように定義する。
【００２４】
【数３】
2016213226.tif 000005
【００２５】
また、各係数は、以下の式で示される。
【００２６】
【数４】
2016213226.tif 000006
【００２７】
「ｊ＝ｊF↑＋ｊF↓」が、強磁性体を流れる電流密度となる。
【００２８】
これらの式より、半導体を流れるスピン偏極電流のスピン偏極率は、以下に示すものとなる。
【００２９】
【数５】
2016213226.tif 000007
【００３０】
通常、半導体層１０１におけるスピン緩和長がスピンの向きに依存しない場合(λ↑＝λ↓)、半導体層１０１を流れる電流のスピン偏極率は、強磁性体と非磁性体の伝導度の比によって決まり、図１の（ｂ）に示すように、半導体層１０１と強磁性体層１０２との接合界面（ｘ＝０）より＋ｘ方向に遠ざかるにつれて指数関数的に減少する。半導体層１０１と強磁性体層１０２との間の伝導度に大きな差がある場合、伝導度不整合によりスピン偏極率は低下する。
【００３１】
一方、半導体層１０１に注入された電子スピンのスピン緩和長が、上向きスピンと下向きスピンで異なる場合(λ↑≠λ↓ )、（８）式右辺の第１項は、距離に依存しないスピン偏極率を生み出す。また、第２項は、距離に依存したスピン偏極率の減少を生み出す。半導体層１０１と強磁性体層１０２との接合界面より十分離れたとしても、第１項が残るため半導体層１０１において、高いスピン偏極率を維持することが可能となる。
【００３２】
以上に説明したように、本発明によれば、強磁性を示す金属が不純物としてドープした半導体層に強磁性体層を接合するようにしたので、強磁性体のスピン偏極率に依存せずに、高いスピン偏極率の状態を強磁性体層より半導体層中に生成できるようになる。本発明の接合構造は、例えば、スピントランジスタにおけるソース電極・ドレイン電極と半導体層との接続に用いることができる。
【００３３】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【００３４】
１０１…半導体層、１０２…強磁性体層。
【図１】
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