(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャリアを注入するためのキャリア注入手段と、
キャリアを伝搬するチャネル層と、
前記チャネル層に電界を発生する電界制御手段と、
超伝導体からなる電極とを備え、
前記チャネル層は、
前記キャリアが伝搬するキャリア経路がすくなくとも２方向に分岐されるように構成され、
前記電界制御手段は、
分岐後の方向ごとに設けられ、
前記電極は、
分岐結合部の端に設けられた共通の電極である
ことを特徴とするスピントランジスタ。
【請求項２】
前記キャリア注入手段は、強磁性体により構成されていることを特徴とする請求項１記載のスピントランジスタ。
【請求項３】
請求項１または２記載のスピントランジスタの制御方法であって、分岐後の方向ごとに設けられた前記電界制御手段を個別に制御することを特徴とするスピントランジスタの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャリアスピンの上向き下向きを制御することにより、ドレイン電流を制御するスピントランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のスピントランジスタの断面構造図を図３に示す。この断面構造図には、磁性体電極（ソース）２０１と、磁性体電極（ドレイン）２０２と、金属ゲート電極２０３と、ゲートコンタクト層２０４と、２次元電子ガスが形成されているチャネル層２０５と、スペーサ層２０６と、キャリア供給層２０７と、バッファ層２０８と、基板２０９が示され、さらにスピンを模式的に示した電子２１０も示されている。
【０００３】
通常において、磁性体電極（ソース）２０１と磁性体電極（ドレイン）２０２には、その電極材料としてNi-Fe（パーマロイ）やCoが用いられる。このデバイスの動作原理は以下のようになっている。
【０００４】
磁性体電極（ソース）２０１からスピン偏極した電子を半導体２次元電子ガスへと注入し、このスピンの向きをRashbaスピン軌道相互作用による有効な磁界によって回転させ、磁性体電極（ドレイン）２０２のスピンの向きと平行にしたり、反平行にしたりすることにより、ドレイン電流を制御している。
【０００５】
例えば、半導体２次元電子ガス中のスピンが反転すると、磁性体電極（ドレイン）２０２には反転した電子スピンを受け入れる状態密度がないため、ドレイン電流は流れなくなる。一方、ゲート電圧によって、スピンの向きを２π回転させると磁性体電極（ドレイン）２０２と同じ向きになり、電流が流れるようになる。つまり、スピンの回転角度によって、電流のオン・オフが制御できる（非特許文献１）。
【非特許文献１】S.Datta and B.Das,Appl.Phys.Lett.,vol.56,p.665,1990.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このスピントランジスタを実現するためには、（１）強磁性体（ソース）電極から半導体へのスピン偏極電子の注入効率の大きさ、（２）電界によるスピン操作の容易さ、（３）半導体から強磁性体（ドレイン）電極へのスピン偏極電子の引き抜き効率の大きさ、が重要であり、今後克服すべき課題となっている。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、Rashbaスピン軌道相互作用とキャリア経路の分岐により、キャリアスピン上向き下向きを制御することを可能とし、さらにスピン偏極度に依存して、ドレイン電流が流れる超伝導接合を用いることにより、ドレイン電流の大きさをゲート電極で制御するスピントランジスタを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１記載の本発明は、キャリアを注入するためのキャリア注入手段と、キャリアを伝搬するチャネル層と、前記チャネル層に電界を発生する電界制御手段と、超伝導体からなる電極とを備え、前記チャネル層は、前記キャリアが伝搬するキャリア経路がすくなくとも２方向に分岐されるように構成され、前記電界制御手段は、分岐後の方向ごとに設けられ、前記電極は、分岐結合部の端に設けられた共通の電極であることを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の本発明は、請求項１記載のスピントランジスタにおいて、前記キャリア注入手段は、強磁性体により構成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の本発明は、請求項１または２記載のスピントランジスタの制御方法であって、分岐後の方向ごとに設けられた前記電界制御手段を個別に制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、Rashbaスピン軌道相互作用とキャリア経路の分岐により、キャリアスピン上向き下向きを制御することを可能とするゲート電極と、超伝導体により形成されたドレイン電極を用いることにより、スピン偏極度によりドレイン電流が制御可能であり、スピントランジスタが形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１（ａ）、（ｂ）はスピントランジスタの実施の形態の素子構造を説明するための構造図を示している。このスピントランジスタの構造図（ａ）には、強磁性体からなる強磁性体電極（ソース）１０１と、超伝導体からなる超伝導体電極（ドレイン）１０２と、第１ゲート電極１０３と、第２ゲート電極１０４とが示されている。図１（ａ）のＡ−Ｂ断面を示す図１（ｂ）には、ゲートコンタクト層１０５と、２次元電子ガスが形成されているチャネル層１０６と、スペーサ層１０７と、キャリア供給層１０８と、バッファ層１０９と、基板１１０とが示されている。
【００１３】
また、ドレイン電極を構成する超伝導体電極（ドレイン）１０２に好適な超伝導体は、Ｎｂ、ＮｂＮ、ＭｇＢ２又は酸化物高温超電導体である。この超伝導体は、チャネル層である２次元電子ガス層に接触されており、膜厚は約１００ｎｍ程度で形成されている。
【００１４】
これらの超伝導体の動作温度は、超伝導転移温度以下であり超伝導体材料に依存し、Ｎｂは約９Ｋ以下、ＮｂＮは約１６Ｋ、ＭｇＢ２は約４０Ｋ、酸化物高温超電導体は約１６０Ｋとなる。
【００１５】
キャリアスピンの歳差運動の回転量は、チャネル層１０６（２次元電子ガス）にかかる有効なゲート電圧に依存するRashbaスピン軌道相互作用の強さによって決まっている。従って、下側の分岐にある第１ゲート電極１０３、上側の分岐にある第２ゲート電極１０４に加えるゲート電圧を各々調整することで、各々の分岐から結合部に到達するキャリアスピンを自在に制御することができる。例えば、強磁性体電極（ソース）１０１から、１００％上向きスピン偏極した電子が上下の分岐に注入される。このとき、上側の分岐にある第２ゲート電極１０４に加える電圧をキャリアスピンの歳差運動が起こらない、または、２ｎπだけ回転するように調整すると、分岐結合部では、上側の分岐からは、１００％上向きスピンを持つキャリアが到達する。一方、下側の分岐にある第１ゲート電極１０３に加える電圧をキャリアスピンの歳差運動がｎπだけ回転するように調整すると、分岐結合部では、下側の分岐からは１００％下向きスピンを持つキャリアが到達する。このとき、分岐結合部の端に超伝導体電極１０２がある場合は、以下のような現象が生じる。
【００１６】
一般的に、超伝導体／常伝導体界面では、常伝導体から超伝導体に超伝導体のエネルギーギャップ以下のエネルギーを持った電子が入射すると、超伝導体側にクーパー対を生成する。このクーパー対を生成するためにはもう１個の電子が必要になるが、この分が正孔となって常伝導体側に生成される。
【００１７】
すなわち、入射電子が正孔となって反射される。これは、アンドレーフ反射と呼ばれる、超伝導体／常伝導体界面でおこる現象である。このアンドレーフ反射では、１個の電子が入射して２つの電子からなる１つのクーパー対が生じるので、正味２個の電荷が伝導したことになり、界面を含む系のコンダクタンスは、通常の常伝導体による電極のコンダクタンスの２倍となる。
【００１８】
この時重要なことは、クーパー対が上向きスピンを有するキャリアと下向きスピンを有するキャリアで構成されている点である。つまり、アンドレーフ反射が生じるためには、常伝導体側に入射電子（キャリア）が持つスピンと反対のスピンを有する電子が必要になる。もし、上述のように上側の分枝から、１００％上向きスピンをもつキャリア、下側の分岐から１００％下向きスピンをもつキャリアが、超伝導体電極１０２に流れこむ場合、スピン偏極は起こらず、アンドレーフ反射により界面を含む系のコンダクタンスは、通常の常伝導体による電極のコンダクタンスの２倍となる。
【００１９】
一方、下側の分岐にある第１ゲート電極１０３に加える電圧を上側の分岐と同様に、キャリアスピンの歳差運動が起こらない、または、２ｎπだけ回転するように調整すると、分岐結合部では、１００％上向きスピンに偏極したキャリアが超伝導体電極１０２に流れ込むことになる。この場合、チャネル層１０６（２次元電子ガス）から入射した電子はアンドレーフ反射することができず、超伝導体電極１０２には電流が流れなくなる（参考文献：A. Martin-Rodero, A. Levy Yeyati, and J. C. Cuevas, Phyica C, vol.352, p.67(2001)を参照）。
【００２０】
図２は、実施の形態のスピントランジスタのソース・ドレイン電極間の電流−電圧特性の第１ゲート電極１０３への印加電圧依存性を示す。この図では、ゲート電圧を印加しない場合には、キャリアスピンの歳差運動が起こらないような半導体構造になっている場合を考えており、第２ゲート電極１０４にはゲート電圧を印加していない場合である。この時、第１ゲート電極１０３にもゲート電圧を印加しないと、分岐結合部では１００％のスピン偏極が実現され、コンダクタンスがゼロになる。一方、第１ゲート電極１０３にもゲート電圧を印加していき、下側の分岐から、１００％下向きスピンを持つキャリアが、超伝導体電極１０２に流れ込む場合には、超伝導体のギャップ電圧Δ以下では、２倍のコンダクタンスを示す。つまり、ゲート電圧によって、ドレイン電流が制御できる。これが、本実施の形態のスピントランジスタの動作原理である。
【００２１】
以上説明したように、本発明では、Rashbaスピン軌道相互作用とキャリア経路の分岐により、キャリアスピン上向き下向きを制御することを可能とするゲート電極と、超伝導体により形成されたドレイン電極を用いることにより、スピン偏極度によりドレイン電流が制御可能であり、スピントランジスタが形成できる。
【００２２】
また、アンドレーフ反射が１００％近くになるように材料を組み合わせると、ゲート電圧をチャネルがピンチオフするまで印加しなくても、ドレイン電流をゼロにすることが可能であるため、低消費電力化と高速化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施の形態のスピントランジスタの構成図であって、（ａ）は全体構成を示し、（ｂ）は断面構成図を示す。
【図２】実施の形態のスピントランジスタのソース・ドレイン電極間の電流−電圧特性の第１ゲート電極１０３への印加電圧依存性を示す。
【図３】従来技術によるスピントランジスタの構造の一例を示す。
【符号の説明】
【００２４】
１０１  強磁性体電極（ソース）
１０２  超伝導体電極（ドレイン）
１０３  第１ゲート電極
１０４  第２ゲート電極
１０５  ゲートコンタクト層
１０６  ２次元電子ガスが形成されているチャネル層
１０７  スペーサ層
１０８  キャリア供給層
１０９  バッファ層
１１０  基板
２１０  スピンを模式的に示した電子
【図１】
0005009763.tif 000002
【図２】
0005009763.tif 000003
【図３】
0005009763.tif 000004