(57)【要約】【課題】半導体層に対するスピンフィルタ効果が十分に高いスピンフィルタ効果素子、及びソース・ドレイン電極間の磁気抵抗率が十分に高いスピントランジスタと提供する。【解決手段】本発明に係るスピントランジスタ１０は、ソース電極層３と、ドレイン電極層７と、ソース電極層３及びドレイン電極層７が設けられた半導体層９と、半導体層９に直接又はゲート絶縁層ＧＩを介して設けられたゲート電極層ＧＥとを備え、ソース電極層３とドレイン電極層７のうち少なくとも一方は、半導体層９に接する強磁性絶縁層ＳＩ，ＤＩと、強磁性絶縁層ＳＩ，ＤＩの半導体層９側とは反対側に接する金属層ＳＥ，ＤＥとを有し、強磁性絶縁層ＳＩ，ＤＩは半導体層９と金属層ＳＥ，ＤＥ間のトンネル障壁を形成し、半導体層９と金属層ＳＥ、ＤＥは互いに直接接触させた場合にショットキー接触する材料からなることを特徴とする。【選択図】図１
2009105285.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層と、
前記半導体層上に積層された強磁性絶縁層と前記強磁性絶縁層の前記半導体層側とは反対側に積層された金属層とを有するスピンフィルタ効果膜と、を備え、
前記強磁性絶縁層は前記半導体層と前記金層層間のトンネル障壁を形成し、前記半導体層と前記金属層は互いに直接接触させた場合にショットキー接触する材料からなることを特徴とするスピンフィルタ効果素子。
【請求項２】
強磁性層を有するソース電極層と、
強磁性層を有するドレイン電極層と、
前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層が設けられた半導体層と、
前記半導体層に直接又はゲート絶縁層を介して設けられたゲート電極層と、
を備え、
前記ソース電極層と前記ドレイン電極層のうち少なくとも一方は、前記半導体層に接する前記強磁性層としての強磁性絶縁層と、前記強磁性絶縁層の前記半導体層側とは反対側に接する金属層と、を有し、
前記強磁性絶縁層は前記半導体層と前記金属層間のトンネル障壁を形成し、前記半導体層と前記金属層は互いに直接接触させた場合にショットキー接触する材料からなることを特徴とするスピントランジスタ。
【請求項３】
前記ソース電極層と前記ドレイン電極層のそれぞれは、前記半導体層に接する前記強磁性層としての強磁性絶縁層と、前記強磁性絶縁層の前記半導体層側とは反対側に接する金属層と、を有し、
前記強磁性絶縁層は前記半導体層と前記金属層間のトンネル障壁を形成し、前記半導体層と前記金属層は互いに直接接触させた場合にショットキー接触する材料からなることを特徴とする請求項２に記載のスピントランジスタ。
【請求項４】
前記強磁性絶縁層は、その抵抗率が１Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする請求項２又は３に記載のスピントランジスタ。
【請求項５】
前記金属膜は、Ｂｅ、Ｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｐｔ及びＡｕからなる群から選ばれた少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のスピントランジスタ。
【請求項６】
前記ソース電極層と前記ドレイン電極層の少なくとも一方が有する前記強磁性層の磁化方向は固定されていることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載のスピントランジスタ。
【請求項７】
前記ソース電極層と前記ドレイン電極層の少なくとも一方が有する前記強磁性層は、形状異方性によってその磁化方向が固定されていることを特徴とする請求項６に記載のスピントランジスタ。
【請求項８】
前記ソース電極層と前記ドレイン電極層の双方の前記強磁性層は、形状異方性によってその磁化方向が固定されていることを特徴とする請求項７に記載のスピントランジスタ。
【請求項９】
前記ソース電極層と前記ドレイン電極層の前記強磁性層の保磁力は、互いに異なることを特徴とする請求項８に記載のスピントランジスタ。
【請求項１０】
前記ソース電極層と前記ドレイン電極層の少なくとも一方が有する前記金属層は反強磁性層であり、前記反強磁性層と接する前記強磁性層の磁化方向は、前記反強磁性層からの交換結合磁界によって固定されていることを特徴とする請求項６に記載のスピントランジスタ。
【請求項１１】
前記ソース電極層と前記ドレイン電極層のいずれかが有する前記強磁性層の磁化方向をスピン注入磁化反転によって反転させるための磁化反転電極層が前記半導体層にさらに設けられている請求項６〜１０のいずれか一項に記載のスピントランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピンフィルタ効果素子及びスピントランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、スピンエレクトロニクスに対する研究が注目されている。スピントランジスタは、電子のスピンを利用したトランジスタであり、新技術のイノベーションを起こすものとして期待されている。スピントランジスタは、新たな構造の記憶素子や、多機能の論理回路として利用することもでき、また、磁性体プロセスを用いて製造されることから、磁性素子の制御素子としての利用も考えられる。
【０００３】
例えば、下記特許文献１の図１１において、強磁性体からなるソース電極とドレイン電極との間に非磁性の半導体層を設け、この半導体層上にゲート絶縁層を介してゲート電極層を設けたスピントランジスタが開示されている。
【０００４】
この従来技術のスピントランジスタにおいては、ソース電極によってスピン偏極した電子が半導体層に注入される。即ち、ソース電極は通常の電極としての機能と、スピンフィルタ効果膜としての機能を兼ねており、半導体層と共にスピンフィルタ効果素子を構成している。また、半導体層に注入される電子のスピンの偏極方向はソース電極の磁化方向に依存し、半導体層に注入される電子のスピン偏極率はスピンフィルタ効果膜であるソース電極のスピン偏極率に依存する。
【０００５】
そして、半導体層のチャネルを通ってドレイン電極内に注入される電子は、その偏極の方向に依存して散乱される。換言すれば、ソース電極から半導体層内のチャネルに注入された電子は、半導体層とドレイン電極との界面でスピン依存散乱する。即ち、ドレイン電極は通常の電極としての機能と、特定の方向に偏極した電子を優先的に受け入れるスピンフィルタ効果膜としての機能とを兼ねており、半導体層と共にスピンフィルタ効果素子を構成している。そのため、ソース電極とドレイン電極の磁化の向きが平行の場合には、ソース・ドレイン電極間の抵抗は小さくなり、反平行の場合にはその抵抗は大きくなる。
【０００６】
スピントランジスタの記憶素子等への応用を考えた場合、ソース電極とドレイン電極の磁化の向きが平行の場合と反平行の場合における、ソース・ドレイン電極間の抵抗変化率（以下、「ソース・ドレイン電極間の磁気抵抗率」という。）は大きい程好ましい。そして、ソース・ドレイン電極間の磁気抵抗率は、ソース電極及びドレイン電極と半導体層とで構成されるスピンフィルタ効果素子のスピンフィルタ効果の強さに依存し、このスピンフィルタ効果の強さは、主にソース電極及びドレイン電極を構成する強磁性体のスピン分極率に依存する。
【０００７】
スピン分極率の高い強磁性体を用いたスピンフィルタ効果素子としては、例えば、下記特許文献２に開示されたものを挙げることができる。このスピンフィルタ効果素子は、薄い強磁性絶縁層を強磁性体からなる電極と非磁性体からなる電極とで挟んだ構造を有しており、薄い強磁性絶縁層としてスピン分極率の高いスピネルフェライトを用いている。このスピンフィルタ効果素子は、強磁性絶縁層と強磁性体からなる電極とからなるスピンフィルタ効果膜を有し、このスピンフィルタ効果膜から非磁性体からなる電極へスピン偏極電子を注入する素子と見ることができる。このような構造によって、スピン偏極率の高い電子を非磁性体からなる電極に注入することが可能なスピンフィルタ効果素子を実現している。しかし、スピントランジスタへの応用を考えた場合、半導体層に対してスピン偏極電子を注入する必要があるため、このようなスピンフィルタ効果素子をそのままスピントランジスタに用いることはできない。
【０００８】
また、ソース・ドレイン電極間の磁気抵抗率が高いスピントランジスタを実現するには、スピンフィルタ効果膜としてスピン分極率の高い強磁性体を用いることに加え、スピンフィルタ効果膜と半導体層とを適切な大きさのショットキー障壁が形成されるようにショットキー接触させる必要があることが知られている。即ち、このようにスピンフィルタ効果膜と半導体層とを接触させると、スピンフィルタ効果膜の強磁性体内のスピン偏極電子がスピンフィルタ効果膜と半導体層との界面を通過する際にスピン散乱される確率を低減させることができる。その結果、スピン分極率の高い電子がスピンフィルタ効果膜から半導体層内に注入されることになる。そのため、下記特許文献１の図１１に開示されたスピントランジスタにおいては、スピンフィルタ効果膜となるソース電極とドレイン電極を構成する材料として、強磁性体であり、かつ、半導体層と適切にショットキー接合するものを用いている。
【特許文献１】特開２００４−１１１９０４号公報
【特許文献２】特開２００４−３９６７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来のスピントランジスタにおいてソース・ドレイン電極間の磁気抵抗率を高くするためには、それに用いられるスピンフィルタ効果膜を、分極率の高い強磁性体であり、かつ、半導体層と適切にショットキー接合するという２つの条件を同時に満たす材料で構成しなければならなかった。このため、例えば、スピンフィルタ効果膜を構成する材料として分極率の高い強磁性体を選択すると半導体層と適切にショットキー接合するという条件を十分に満たさない場合があり、また、スピンフィルタ効果素子を構成する材料として半導体層と適切にショットキー接合する材料を選択すると、分極率の高い強磁性体という条件を十分に満たさない場合があった。
【００１０】
その結果、半導体層にスピン偏極した電子を注入する効果、及び、半導体層からスピン偏極電子が注入される際にスピン依存散乱を生じさせる効果（以下、「半導体層に対するスピンフィルタ効果」という。）を十分に発揮するスピンフィルタ効果素子を得ることが困難であるという問題があった。さらに、半導体層に対するスピンフィルタ効果を十分に発揮するスピンフィルタ効果素子を得ることが困難であるため、ソース・ドレイン電極間の磁気抵抗率が十分に高いスピントランジスタを実現することが困難であるという問題があった。
【００１１】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、半導体層に対するスピンフィルタ効果が十分に高いスピンフィルタ効果素子、及びソース・ドレイン電極間の磁気抵抗率が十分に高いスピントランジスタと提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の課題を解決するため、本発明に係るスピンフィルタ効果素子は、半導体層と、半導体層上に積層された強磁性絶縁層と強磁性絶縁層の半導体層側とは反対側に積層された金属層とを有するスピンフィルタ効果膜とを備え、強磁性絶縁層は半導体層と金層層間のトンネル障壁を形成し、半導体層と金属層は互いに直接接触させた場合にショットキー接触する材料からなることを特徴とする。
【００１３】
本発明のスピンフィルタ効果素子によれば、半導体層には強磁性絶縁層を有するスピンフィルタ効果膜が積層されており、この強磁性絶縁層がスピンフィルタ効果を担うこととなる。そして、強磁性絶縁層は半導体層と金層層間のトンネル障壁を形成しているため、金属層と半導体層間に電圧を印加すると、これらの間にトンネル電流が流れる。また、半導体層と金属層は互いに直接接触させた場合にショットキー接触するものが選択されており、かつ、これらの間の強磁性絶縁層にはトンネル電流が流れるため、半導体層と金属層はショットキー接触した場合と同等の挙動を示すこととなる。これにより、半導体層に使用するスピンフィルタ効果膜に求められる分極率の高い強磁性体を用いるという条件、及び、半導体層とショットキー接触するという条件について、前者の条件を強磁性絶縁層で満たし、後者の条件を金属層で満たすことが可能となる。即ち、従来のスピンフィルタ効果膜においては、これらの２つの条件を半導体層と接する１つの層によって満たさなければならなかったのに対して、本発明のスピンフィルタ効果素子では、これらの２つの条件をそれぞれ別個の層によって満たすことが可能である。その結果、これらの２つの条件をより理想的に満たすようにスピンフィルタ効果膜を構成することができるため、半導体層に対するスピンフィルタ効果が十分に高いスピンフィルタ効果素子を得ることができる。
【００１４】
また、本発明に係るスピントランジスタは、強磁性層を有するソース電極層と、強磁性層を有するドレイン電極層と、ソース電極層及びドレイン電極層が設けられた半導体層と、半導体層に直接又はゲート絶縁層を介して設けられたゲート電極層とを備え、ソース電極層とドレイン電極層のうち少なくとも一方は、半導体層に接する強磁性層としての強磁性絶縁層と、強磁性絶縁層の半導体層側とは反対側に接する金属層とを有し、強磁性絶縁層は半導体層と金属層間のトンネル障壁を形成し、半導体層と金属層は互いに直接接触させた場合にショットキー接触する材料からなることを特徴とする。
【００１５】
本発明のスピントランジスタによれば、ゲート電極層に電圧を印加することにより、この電圧に対応して半導体層内にチャネルが形成されるため、ソース電極層から半導体層のチャネル内に流れ込むキャリアが増加する。そのため、通常の電界効果トランジスタと同様の機能を発揮する。また、この際、強磁性層を有するソース電極層はスピンフィルタ効果膜として機能するため、ソース電極層の磁化方向と同方向にスピン偏極したキャリアが半導体層に注入される。
【００１６】
そして、半導体層に注入されたスピン偏極キャリアは、ドレイン電極層に流れ込む。この際、強磁性層を有するドレイン電極層は、スピンフィルタ効果膜として機能するため、半導体層に注入されたスピン偏極キャリアは、半導体層とドレイン電極層との界面において、スピン依存散乱することとなる。
【００１７】
即ち、ソース電極層の磁化の向きがドレイン電極層の磁化の向きとは逆向きの場合、半導体層に注入されたスピン偏極キャリアは半導体層とドレイン電極層の界面において大部分が反射され、ドレイン電極層には流れ込みにくい。一方、ソース電極層の磁化の向きがスピンフィルタ層の磁化の向きと同一の場合、半導体層に注入されたスピン偏極キャリアは半導体層とドレイン電極層の界面を大部分が通過し、ドレイン電極層に流れ込む。そのため、ソース電極層とドレイン電極層の磁化の向きが平行の場合と反平行の場合とでは、ソース・ドレイン電極層間の抵抗値が異なることとなる。
【００１８】
そして、本発明のスピントランジスタでは、ソース電極層とドレイン電極層のうち少なくとも一方は、強磁性層として強磁性絶縁層を有している。そして、強磁性絶縁層は半導体層と金層層間のトンネル障壁を形成しているため、金属層と半導体層間に電圧を印加すると、これらの間にトンネル電流が流れる。また、半導体層と金属層は互いに直接接触させた場合にショットキー接触するものが選択されており、かつ、これらの間の強磁性絶縁層にはトンネル電流が流れるため、半導体層と金属層はショットキー接触した場合と同等の挙動を示すこととなる。
【００１９】
これにより、半導体層に使用するスピンフィルタ効果膜に求められる分極率の高い強磁性体を用いるという条件、及び、半導体層とショットキー接触するという条件について、前者の条件を強磁性絶縁層で満たし、後者の条件を金属層で満たすことが可能となる。即ち、従来のスピンフィルタ効果膜においては、これらの２つの条件を半導体層と接する１つの層によって満たさなければならなかったのに対して、本発明のスピンフィルタ効果素子では、これらの２つの条件をそれぞれ別個の層によって満たすことが可能である。そのため、これらの２つの条件をより理想的に満たすようにスピンフィルタ効果膜を構成することができるため、半導体層に対するスピンフィルタ効果が十分に高いスピンフィルタ効果素子を備えたスピントランジスタとすることができる。その結果、ソース・ドレイン電極間の磁気抵抗率が十分に高いスピントランジスタを得ることができる。
【００２０】
さらに、ソース電極層とドレイン電極層のそれぞれは、半導体層に接する強磁性層としての強磁性絶縁層と、強磁性絶縁層の半導体層側とは反対側に接する金属層とを有し、強磁性絶縁層は半導体層と金属層間のトンネル障壁を形成し、半導体層と金属層は互いに直接接触させた場合にショットキー接触する材料からなることが好ましい。
【００２１】
これにより、ソース電極層とドレイン電極層は、それぞれ半導体層に対して上述の２つの条件をより理想的に満たすスピンフィルタ効果膜となる。その結果、ソース・ドレイン電極間の磁気抵抗率がより高いスピントランジスタを得ることができる。
【００２２】
さらに、強磁性絶縁層は、その抵抗率が１Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。これにより、強磁性絶縁層は半導体層と金層層間のトンネル障壁を確実に形成することが可能となる。その結果、ソース電極層とドレイン電極層の少なくとも一方は、半導体層に対して上述の２つの条件をより確実に満たすスピンフィルタ効果膜となるため、信頼性の高いスピントランジスタを得ることができる。
【００２３】
さらに、金属膜は、Ｂｅ、Ｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｐｔ及びＡｕからなる群から選ばれた少なくとも一種を含むことが好ましい。
【００２４】
さらに、ソース電極層とドレイン電極層の少なくとも一方が有する強磁性層の磁化方向は固定されていることが好ましい。これにより、ソース電極層とドレイン電極層が有するそれぞれの磁化方向の相対的な角度を変更させることが容易になる。その結果、ソース・ドレイン電極間の抵抗値を容易に変化させることが可能なスピントランジスタを得ることができる。
【００２５】
さらに、ソース電極層とドレイン電極層の少なくとも一方が有する強磁性層は、形状異方性によってその磁化方向が固定されていることが好ましい。これにより、ソース電極層とドレイン電極層の少なくとも一方を適切な形状になるように形成するだけで、その磁化方向を固定することができる。
【００２６】
さらに、ソース電極層とドレイン電極層の双方の強磁性層は、形状異方性によってその磁化方向が固定されていることが好ましい。これにより、ソース電極層とドレイン電極層が有するそれぞれの磁化方向の相対的な角度を変更させることがより容易になる。その結果、ソース・ドレイン電極間の抵抗値をより容易に変化させることが可能なスピントランジスタを得ることができる。
【００２７】
さらに、ソース電極層とドレイン電極層の強磁性層の保磁力は、互いに異なることが好ましい。これにより、ソース電極層とドレイン電極層のそれぞれの磁化方向の相対的な角度を変更させることがさらにより容易になる。その結果、ソース・ドレイン電極間の抵抗値をさらにより容易に変化させることが可能なスピントランジスタを得ることができる。
【００２８】
さらに、ソース電極層とドレイン電極層の少なくとも一方が有する金属層は反強磁性層であり、反強磁性層と接する強磁性層の磁化方向は、反強磁性層からの交換結合磁界によって固定されていることが好ましい。これにより、ソース電極層やドレイン電極層の形状に関わらず、その磁化方向を確実に固定することができる。
【００２９】
さらに、ソース電極層とドレイン電極層のいずれかが有する強磁性層の磁化方向をスピン注入磁化反転によって反転させるための磁化反転電極層が半導体層にさらに設けられていることが好ましい。これにより、ソース電極層とドレイン電極層のいずれかが有する強磁性層の磁化方向を容易に変更させることができる。また、外部磁場を印加することによってソース電極層とドレイン電極層のいずれかが有する強磁性層の磁化方向を反転させる場合と比較して、外部磁場を印加するための機構が不要となるため、スピントランジスタの小型化が可能となる。また、スピントランジスタを多数集積させた場合に、特定の素子が有する強磁性層の磁化方向のみを変更させることが容易となる。さらに、トランジスタとしての機能と、情報記憶機能とを兼ね備えることとなるため、ソース電極層とドレイン電極層の磁化方向が平行の状態及び反平行の状態の２状態を１ビットに対応させると、不揮発性半導体メモリとして使用することが可能なスピントランジスタを得ることができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、半導体層に対するスピンフィルタ効果が十分に高いスピンフィルタ効果素子、及びソース・ドレイン電極間の磁気抵抗率が十分に高いスピントランジスタが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、実施の形態に係るスピンフィルタ効果素子及びスピントランジスタについて、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。
【００３２】
図１は、本実施形態に係るスピンフィルタ効果素子１１、１３を備えたスピントランジスタ１０の縦断面構成を示す図である。
【００３３】
スピントランジスタ１０は、半導体層９と、強磁性絶縁層ＳＩ及び金属層ＳＥを有し半導体層９上に設けられたソース電極層３と、強磁性絶縁層ＤＩ及び金属層ＤＥを有し半導体層９上に設けられたドレイン電極層７と、ゲート電極層ＧＥとを備えている。
【００３４】
ソース電極層３が有する強磁性絶縁層ＳＩは半導体層９と接しており、ソース電極層３が有する金属層ＳＥは、強磁性絶縁層ＳＩの半導体層９側とは反対側に接している。そして、強磁性絶縁層ＳＩは半導体層９と金属層ＳＥ間のトンネル障壁を形成するように薄く形成されている。そのため、半導体層９と金属層ＳＥ間に電圧を印加すると、これらの間にトンネル電流を流すことが可能となっている。さらに、半導体層９と金属層ＳＥは、互いに直接接触させた場合にショットキー接触するものが選択されている。
【００３５】
ドレイン電極層７は、半導体層９上にソース電極層３と離間するように設けられており、ソース電極層３と同様の構成を有している。即ち、ドレイン電極層７が有する強磁性絶縁層ＤＩは半導体層９と接しており、ドレイン電極層７が有する金属層ＤＥは、強磁性絶縁層ＤＩの半導体層９側とは反対側に接している。また、強磁性絶縁層ＤＩは半導体層９と金属層ＤＥ間のトンネル障壁を形成するように薄く形成されている。そのため、半導体層９と金属層ＤＥ間に電圧を印加すると、これらの間にトンネル電流を流すことが可能となっている。さらに、半導体層９と金属層ＤＥは、互いに直接接触させた場合にショットキー接触するものが選択されている。
【００３６】
ゲート電極層ＧＥは、半導体層９のソース電極層３及びドレイン電極層７が設けられた側とは反対側にゲート絶縁層ＧＩを介して設けられている。なお、ゲート電極層ＧＥは、半導体層９のソース電極層３及びドレイン電極層７が設けられた側に設けてもよく、また、ゲート絶縁層ＧＩを介さずに半導体層９とショットキー接触するように半導体層９に設けてもよい。
【００３７】
ソース電極層３とゲート電極層ＧＥとの間にはゲート電圧ＶＧＳが印加可能となっており、ソース電極層３とドレイン電極層７との間には、ドレイン電圧ＶＤＳが印加可能となっている。ゲート電圧ＶＧＳ及びドレイン電圧ＶＤＳの印加の有無は、それぞれ、ソース電極層３とゲート電極層ＧＥとの間に介在するスイッチＳＷ１及びソース電極層３とドレイン電極層７との間に介在するスイッチＳＷ２によって決定される。
【００３８】
ソース電極層３が有する強磁性絶縁層ＳＩの磁化の向きＳＩＭ（ソース電極層３の磁化の向きＳＩＭ）は、図１のＹ軸の正方向に沿った方向を向いており、後述のようにその方向に固定されている。また、ドレイン電極層７が有する強磁性絶縁層ＤＩの磁化の向きＤＩＭ（ドレイン電極層７の磁化の向きＤＩＭ）は、図１のＹ軸の負方向に沿った方向を向いており、後述のようにその方向は外部磁場の印加等によって１８０度反転可能となっている。なお、半導体層９の厚み方向はＺ軸に沿った方向である。
【００３９】
強磁性絶縁層ＳＩ、ＤＩを構成する材料としては、例えば、スピネルフェライトのうち強磁性かつ絶縁性を示すもの等を用いることができる。スピネルフェライトのうち強磁性かつ絶縁性を示すものとして具体的には、Ａ（Ｆｅ１−ＸＭｎＸ）２Ｏ４（ＡはＭｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ及びＭｇからなる群から選ばれたいずれかの金属、かつ、０≦Ｘ≦０．４）を挙げることができる。また、強磁性絶縁層ＳＩ、ＤＩを構成する材料は、その抵抗率が１Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。
【００４０】
金属層ＳＥ、ＤＥを構成する材料としては、Ｂｅ、Ｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｐｔ及びＡｕからなる群から選ばれた金属、あるいはこれらの群から選ばれた少なくとも一種を含む合金であることが好ましい。
【００４１】
ゲート電極層ＧＥを構成する材料としては、金属層ＳＥ、ＤＥと同様の金属あるいは合金を用いることができ、また、金属層ＳＥ、ＤＥと同様の金属あるいは合金のシリサイド、又はポリシリコン等を用いることもできる。ゲート絶縁層ＧＩを構成する非磁性の絶縁材料としては、ＳｉＯ２、ＡｌＯ２、ＮｉＯ、ＣｏＦｅＯ、ＭｎＯ、ＺｎＯ等の酸化物を用いることができる。また、半導体層９を構成する材料としては、ＳｉやＧａＡｓ等の化合物半導体を用いることができる。なお、半導体層９の導電型はｎ型、ｐ型のいずれでもよい。
【００４２】
図２は、図１のＺ軸方向から見たスピントランジスタ１０の平面構成を示す図である。
【００４３】
図２に示すように、ソース電極層３は、Ｙ軸に沿った方向に延びた平面形状となっている。具体的には、ソース電極層３は、一定幅のソース電極層中間部３ａと、ソース電極層中間部３ａの長手方向の両端に接する２つのソース電極層先端部３ｂとを有している。ソース電極層３がこのような形状となっているため、ソース電極層３の磁化の向きＳＩＭは、ソース電極層３の長手方向に向くこととなる。さらに、ソース電極層３の長手方向の両端部には先鋭な形状のソース電極層先端部３ｂが形成されているため、ソース電極層３が有する強磁性絶縁層ＳＩ（図１参照）内には磁区が形成され難くなっている。そのため、ソース電極層３の磁化の向きＳＩＭは外部磁場が印加等されても、その向きが非常に変化し難くなっており、ソース電極層３の磁化の向きＳＩＭは固定されている。
【００４４】
即ち、ソース電極層３の磁化の向きＳＩＭは、ソース電極層３の形状異方性によって固定されている。なお、ソース電極層３の磁化の向きＳＩＭが、図２のＹ軸の正方向を向く場合と、Ｙ軸の負方向を向く場合の形状異方性エネルギーは同等となる。図２に示すようにソース電極層３の磁化の向きＳＩＭをＹ軸の正方向に向かせるには、例えば非常に強い外部磁場をＹ軸の正方向に印加すればよい。
【００４５】
なお、本明細書において「磁性層の磁化の向きが固定されている」とは、ノイズ磁界等によってはその磁化の向きが変化しない状態を意味する。即ち、外部磁場の印加等を行っていない状態において磁性層の磁化の向きは一定の方向を向いていることを意味する。そのため、磁性層の保磁力よりも大きな外部磁場を印加等すれば、磁性層の磁化の向きを変更させることが可能である。また、ソース電極層３の保磁力の大きさは、例えば５０〜５００Oeとすることができる。
【００４６】
また、ドレイン電極層７は、ソース電極層３と同様にＹ軸に沿った方向に延びた平面形状となっている。しかし、ドレイン電極層７は、一定幅のドレイン電極層中間部７ａの長手方向の一方の端部にのみドレイン電極層先端部７ｂが接しており、他方の端部には矩形状のドレイン電極層矩形部７ｃが接している点でソース電極層３の形状と異なる。ドレイン電極層７がこのような形状となっているため、ドレイン電極層７の磁化の向きＤＩＭは、ドレイン電極層７の長手方向に固定されている。しかし、ドレイン電極層７が有する強磁性絶縁層ＤＩ（図１参照）のドレイン電極層矩形部７ｃの領域には磁区が形成され易くなる。そのため、ドレイン電極層７に外部磁場を印加等すると、ドレイン電極層７の磁化の向きＤＩＭは容易に反転することとなる。即ち、ソース電極層３とドレイン電極層７の保磁力は、互いに異なっており、ソース電極層３の保磁力は、ドレイン電極層７の保磁力よりも大きくなっている。ドレイン電極層７の保磁力の大きさは、例えば１０〜１００Oeとすることができる。
【００４７】
ソース電極層３のソース電極層中間部３ａの幅ｗ３ａは、例えば０．０５〜２μｍとすることができ、ソース電極層先端部３ｂの長さｈ３ｂは、例えば０．４〜５μｍとすることができる。また、ソース電極層３の長さｈ３は、例えば１〜１００μｍとすることができる。即ち、幅ｗ３ａと長さｈ７の比率は、２０〜１０００であり、この場合には十分に形状異方性を有し、磁化の向きＳＩＭを固定することができる。
【００４８】
ドレイン電極層７のドレイン電極層中間部７ａの幅ｗ７ａは、例えば０．０５〜２μｍとすることができ、ドレイン電極層先端部７ｂの長さｈ７ｂは、例えば０．４〜５μｍとすることができる。また、ドレイン電極層矩形部７ｃの幅ｗ７ｃは、例えば１〜１０μｍとすることができ、ドレイン電極層矩形部７ｃの長さｈ７ｃは、例えば１〜２０μｍとすることができる。また、ドレイン電極層７の長さｈ７は、例えば１〜１００μｍとすることができる。即ち、幅ｗ７ａと長さｈ７の比率は、２０〜１０００であり、この場合には十分に形状異方性を付与させることができる。
【００４９】
次に、図１に示した本実施形態のスピントランジスタ１０の動作について説明する。
【００５０】
図３は、図１に示した半導体層９、ソース電極層３の金属層ＳＥ、及びドレイン電極層７の金属層ＤＥのエネルギーバンド図である。同図では、半導体層９の導電型がｎ型であって、図１のスイッチＳＷ１を切断してゲート電極層ＧＥに電圧を印加せず、スイッチＳＷ２を接続してドレイン電極層７に電圧を印加した場合を示している。なお、エネルギーバンド図においては、縦の正方向に大きいほどエネルギーが高く、縦の負方向に大きいほど電位が高い。
【００５１】
ソース電極層３が有する強磁性絶縁層ＳＩに注入された電子ｅｍは、ソース電極層３の磁化の向きＳＩＭと同じ方向（但し、電子の符号は負）の偏極スピンを有する。ソース電極層３の金属層ＳＥと半導体層９は互いに直接接触させた場合にショットキー接触する材料からなり、また、ソース電極層３が有する強磁性絶縁層ＳＩは非常に薄いため、半導体層９と強磁性絶縁層ＳＩの界面ＳＪは金属層ＳＥと強磁性絶縁層ＳＩの界面と非常に近くなる。そのため、金属層ＳＥと半導体層９はショットキー接触した場合と同等の挙動を示すこととなる。その結果、半導体層９内にはポテンシャル障壁（空乏層）ＰＢが形成されるが、このポテンシャル障壁ＰＢの厚みｔはトンネル効果が生じる厚みよりも大きいため、ソース電極層３内の電子ｅｍは半導体層９内には注入されない。なお、同図中のＥｃは半導体層９の伝導帯の下端のエネルギー準位、Ｅｖは価電子帯の上端のエネルギー準位を示している。
【００５２】
図４は、スピントランジスタ１０の図３と同じ箇所のエネルギーバンド図である。同図では、図１のスイッチＳＷ１及びＳＷ２を接続してゲート電極層ＧＥ及びドレイン電極層７に電圧を印加した場合を示している。
【００５３】
図１のゲート電極層ＧＥに正電位を印加することにより、この正電位に対応して半導体層９内のゲート電極層ＧＥの直下にｎ型のチャネルが形成されると同時に、半導体層９内に形成されたポテンシャル障壁ＰＢの厚みｔが減少する。その結果、強磁性絶縁層ＳＩに注入されたスピン偏極電子ｅｍは、強磁性絶縁層ＳＩが形成するポテンシャル障壁及び半導体層９内に形成されたポテンシャル障壁ＰＢをトンネルすることが可能となり、半導体層９のチャネル内に流れ込む電子ｅｓが増加する。そして、ソース電極層３から半導体層９内に注入された電子ｅｓは、ソース電極層３の磁化の向きＳＩＭと同方向にスピン偏極している。即ち、ソース電極層３は、半導体層９内にスピン偏極電子ｅｍを注入するスピンフィルタ効果膜として機能し、ソース電極層３と半導体層９とで、スピンフィルタ効果素子１１を構成している（図１参照）。なお、強磁性絶縁層ＳＩにおける磁化の向きＳＩＭに平行なスピンの電子の状態密度と、反平行なスピンの状態密度との比は、強磁性絶縁層ＳＩ内における磁化の向きＳＩＭに平行な電子の数と、反平行な電子の数との比となる。そのため、上述のようにソース電極層３はスピンフィルタ効果を発揮することとなる。
【００５４】
ドレイン電極層７の磁化の向きＤＩＭがソース電極層３の磁化の向きＳＩＭとは逆向きの場合、この電子ｅｓは、スピン依存散乱効果によって半導体層９とドレイン電極層７の間で大部分が反射され、ドレイン電極層７にはほとんど流れ込まない。
【００５５】
図５は、スピントランジスタ１０の図３と同じ箇所のエネルギーバンド図である。同図では、図１のスイッチＳＷ１及びＳＷ２を接続してゲート電極層ＧＥ及びドレイン電極層７に電圧を印加し、且つ、ドレイン電極層７の磁化の向きＤＩＭを反転させた状態を示している。
【００５６】
ドレイン電極層７の金属層ＤＥと半導体層９は互いに直接接触させた場合にショットキー接触する材料からなり、また、ドレイン電極層７が有する強磁性絶縁層ＤＩは非常に薄いため、半導体層９と強磁性絶縁層ＤＩの界面ＳＪは金属層ＤＥと強磁性絶縁層ＤＩの界面と非常に近くなる。そのため、金属層ＤＥと半導体層９はショットキー接触した場合と同等の挙動を示すこととなる。
【００５７】
そのため、図５に示す状態の場合、ドレイン電極層７の磁化の向きＤＩＭがソース電極層３の磁化の向きＳＩＭと同一となるため、半導体層９内に注入された電子ｅｓは、スピン依存散乱効果によって半導体層９とドレイン電極層７の間で反射されることはなく、大部分がドレイン電極層７に流れ込む。即ち、ドレイン電極層７は、半導体層９内の電子のうち特定の方向にスピン偏極した電子を優先的に受け入れるスピンフィルタ効果膜として機能し、ドレイン電極層７と半導体層９とで、スピンフィルタ効果素子１３を構成している（図１参照）。なお、強磁性絶縁層ＤＩ内において、磁化の向きＤＩＭに平行なスピンを持つ電子の状態と、反平行なスピンを持つ電子の状態では、エネルギーが異なる。そのため、上述のようにドレイン電極層７はスピンフィルタ効果を発揮することとなる。
【００５８】
また、上述のようにスピントランジスタ１０は、ソース電極層３とドレイン電極層７間で磁気抵抗効果を生じる。即ち、ゲート電極層ＧＥに印加するゲート電圧が一定の場合、ソース電極層３の磁化の向きＳＩＭとドレイン電極層７の磁化の向きＤＩＭとが平行の場合にはソース電極層３とドレイン電極層７間の抵抗値は小さくなり、ソース電極層３の磁化の向きＳＩＭとドレイン電極層７の磁化の向きＤＩＭとが反平行の場合にはソース電極層３とドレイン電極層７間の抵抗値は大きくなる。
【００５９】
また、図３〜図５を参照すると、ドレイン電極層７が有する金属層ＤＥのフェルミ準位ＥＦと、強磁性絶縁層ＤＩ隣接する半導体層９の伝導帯ＥＣの下端との間には、電位差φＤが存在している。ゲート電圧の印加により、半導体層９のエネルギーバンドが曲がる結果、ポテンシャル障壁ＰＢが薄くなるので、電子ｅｍがソース電極層３から半導体層９の伝導帯にトンネルするようになり、スピントランジスタ１０に電流が流れる。ドレイン電極層７では、トンネル伝導により、半導体層９からドレイン電極層７に電子ｅｓが移動し、この結果としてドレイン電極層７と半導体層９との界面での電位差φＤが定まる。
【００６０】
次に、半導体層９の導電型がｐ型である場合について説明する。この場合のスピントランジスタ１０の構造は図１に示したものと同一である。
【００６１】
図６は、図１に示したスピントランジスタ１０のゲート電極層ＧＥ直下の半導体層９及びこれに隣接するソース電極層３及びドレイン電極層７のエネルギーバンド図である。同図では、半導体層９の導電型がｐ型であって、図１のスイッチＳＷ１を切断してゲート電極層ＧＥに電圧を印加せず、スイッチＳＷ２を接続してドレイン電極層７に電圧を印加した場合を示している。
【００６２】
ソース電極層３の金属層ＳＥと半導体層９は互いに直接接触させた場合にショットキー接触する材料からなり、また、ソース電極層３が有する強磁性絶縁層ＳＩは非常に薄いため、半導体層９と強磁性絶縁層ＳＩの界面ＳＪは金属層ＳＥと強磁性絶縁層ＳＩの界面と非常に近くなる。そのため、金属層ＳＥと半導体層９はショットキー接触した場合と同等の挙動を示すこととなる。
【００６３】
そのため、ゲート電圧を印加しないときには、半導体層９内の正孔はソース電極層３及びドレイン電極層７のいずれにも注入されず、強磁性絶縁層ＳＩ内の電子ｅｍは、半導体層９のエネルギーバンドの曲がりの山を越えられないため、半導体層内には注入されない。
【００６４】
図７は、スピントランジスタ１０の図６と同じ箇所のエネルギーバンド図である。同図では、図１のスイッチＳＷ１及びＳＷ２を接続してゲート電極層ＧＥ及びドレイン電極層７に電圧を印加した場合を示している。
【００６５】
図１のゲート電極層ＧＥに正電位を印加することにより、この正電位に対応して半導体層９内のゲート電極層ＧＥの直下にｎ型のチャネルが形成されると同時に、半導体層９のエネルギーバンドの山の高さ（エネルギー）が低下し、強磁性絶縁層ＳＩ内の電子ｅｍは、半導体層９内に注入される。そして、ソース電極層３から半導体層９内に注入された電子ｅｓは、ソース電極層３の磁化の向きＳＩＭと同方向にスピン偏極している。
【００６６】
ドレイン電極層７の磁化の向きＤＩＭが、ソース電極層３の磁化の向きＳＩＭとは逆向きの場合、この電子ｅｓは、スピン依存散乱効果によって半導体層９とドレイン電極層７の間において大部分が反射され、ドレイン電極層７には流れ込まない。
【００６７】
図８は、スピントランジスタ１０の図６と同じ箇所のエネルギーバンド図である。同図では、図１のスイッチＳＷ１及びＳＷ２を接続してゲート電極層ＧＥ及びドレイン電極層７に電圧を印加し、且つ、ドレイン電極層７の磁化の向きＤＩＭを反転させた状態を示している。
【００６８】
ドレイン電極層７の金属層ＤＥと半導体層９は互いに直接接触させた場合にショットキー接触する材料からなり、また、ドレイン電極層７が有する強磁性絶縁層ＤＩは非常に薄いため、半導体層９と強磁性絶縁層ＤＩの界面ＳＪは金属層ＤＥと強磁性絶縁層ＤＩの界面と非常に近くなる。そのため、金属層ＤＥと半導体層９はショットキー接触した場合と同等の挙動を示すこととなる。
【００６９】
そのため、図８に示す状態の場合、ドレイン電極層７の磁化の向きＤＩＭがソース電極層３の磁化の向きＳＩＭと同一となるため、半導体層９の反転チャネル内に注入された電子ｅｓは、半導体層９からドレイン電極層７に流れ込む。なお、ドレイン界面に生じる電位差φＤは、ドレイン電極層７の磁化の向きＤＩＭがソース電極層３の磁化の向きＳＩＭと平行の場合には、反平行の場合よりも小さい。
【００７０】
本実施形態のスピンフィルタ効果素子１１、１３によれば、半導体層９には強磁性絶縁層ＳＩ、ＤＩを有するスピンフィルタ効果膜３、７が積層されており、この強磁性絶縁層ＳＩ、ＤＩがスピンフィルタ効果を担うこととなる（図１参照）。そして、上述のように強磁性絶縁層ＳＩ、ＤＩは半導体層９と金層層ＳＥ、ＤＥ間のトンネル障壁を形成しているため、金属層ＳＥ、ＤＥと半導体層９間に電圧を印加すると、これらの間にトンネル電流が流れる。また、半導体層９と金属層ＳＥ、ＤＥは互いに直接接触させた場合にショットキー接触するものが選択されており、かつ、これらの間の強磁性絶縁層ＳＩ、ＤＩにはトンネル電流が流れるため、半導体層と金属層はショットキー接触した場合と同等の挙動を示すこととなる。
【００７１】
そのため、半導体層９に設けられるスピンフィルタ効果膜３，７に求められる分極率の高い強磁性体を用いるという条件、及び、半導体層９とショットキー接触するという条件について、前者の条件を強磁性絶縁層ＳＩ、ＤＩで満たし、後者の条件を金属層ＳＥ、ＤＥで満たすことが可能となる。即ち、従来のスピンフィルタ効果膜においては、これらの２つの条件を半導体層と接する１つの層によって満たさなければならなかったのに対して、本実施形態に係るスピンフィルタ効果素子１１、１３では、これらの２つの条件をそれぞれ別個の層によって満たすことが可能である。その結果、これらの２つの条件をより理想的に満たすようにスピンフィルタ効果膜３，７を構成することができるため、半導体層９に対するスピンフィルタ効果が十分に高いスピンフィルタ効果素子１１、１３となっている。
【００７２】
また、本実施形態のスピントランジスタ１０では、上述のような半導体層９に対するスピンフィルタ効果が十分に高いスピンフィルタ効果素子１１、１３を備えている。その結果、ソース電極層３及びドレイン電極層７間の磁気抵抗率が十分に高いスピントランジスタ１０とすることができる。
【００７３】
さらに、本実施形態のスピントランジスタ１０では、強磁性絶縁層ＳＩ、ＤＩとして、その抵抗率が１Ω・ｃｍ以上である材料を好適に用いている。そのため、強磁性絶縁層ＳＩ、ＤＩは半導体層９と金層層ＳＥ、ＤＥ間のトンネル障壁を確実に形成することが可能となる。その結果、ソース電極層３とドレイン電極層７は、半導体層９に対して上述の２つの条件をより確実に満たすスピンフィルタ効果膜３，７となるため、スピントランジスタ１０の信頼性は高いものとなっている。
【００７４】
さらに、本実施形態のスピントランジスタ１０では、ソース電極層３が有する強磁性絶縁層ＳＩの磁化の向きＳＩＭと、ドレイン電極層７が有する強磁性絶縁層ＤＩの磁化の向きＤＩＭは固定されている。さらに、ソース電極層３の保磁力はドレイン電極層７の保磁力よりも大きくなっている。そのため、ソース電極層３とドレイン電極層７のそれぞれの磁化方向ＳＩＭ、ＤＩＭの相対的な角度を変更させることが容易である。その結果、ソース電極層３とドレイン電極７間の抵抗値を容易に変化させることが可能なスピントランジスタ１０となっている。
【００７５】
さらに、本実施形態のスピントランジスタ１０では、ソース電極層３が有する強磁性絶縁層ＳＩの磁化の向きＳＩＭと、ドレイン電極層７が有する強磁性絶縁層ＤＩの磁化の向きＤＩＭは、ソース電極層３及びドレイン電極層７の形状異方性によって固定されている（図２参照）。そのため、ソース電極層３及びドレイン電極層７を適切な形状になるように形成するだけで、これらの磁化の向きＳＩＭ、ＤＩＭを固定することが可能となっている。
【００７６】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形態様が可能である。
例えば、上述の実施形態におけるスピントランジスタ１０では、ソース電極層３の保磁力は、ドレイン電極層７の保磁力よりも大きくなっているが（図２参照）、ドレイン電極層７の保磁力を、ソース電極層３の保磁力よりも大きくしてもよい。
【００７７】
また、上述の実施形態におけるスピントランジスタ１０では、ソース電極層３の磁化の向きＳＩＭをソース電極層３の形状異方性によって固定しているが（図２参照）、このような固定方法に限られない。例えば、ソース電極層３が有する金属層ＳＥとして反強磁性材料を用いる方法がある。具体的には、図９に示すように、ソース電極層３の磁化の向きＳＩＭを、反強磁性材料からなる金属層ＳＥからの交換結合磁界ＳＥＭによって固定してもよい。また、この場合、ソース電極層３の平面形状は、図２に示すような形状である必要はなく、図９に示すような正方形の他、矩形や円形であってもよい。また、ソース電極層３が有する強磁性絶縁層ＳＩを硬質磁性層で形成することにより、ソース電極層３の磁化の向きＳＩＭを固定してもよい。ドレイン電極層７についても同様に、ドレイン電極層７の磁化の向きＤＩＭを、反強磁性材料からなる金属層ＤＥからの交換結合磁界によって固定してもよい。この場合であっても、ソース電極層３とドレイン電極層７の強磁性層ＳＩ、ＤＩの保磁力は、互いに異なるように設定するのが好ましい。
【００７８】
ドレイン電極層７の平面形状も図２に示すような形状には限られず、図９に示すような正方形の他、矩形や円形であってもよい。その場合、磁場中熱アニール処理等により、ドレイン電極層７が有する強磁性絶縁層ＤＩに対して図９のＹ軸に沿った方向に誘導磁気異方性を付与してもよい。
【００７９】
また、ソース電極層３及びドレイン電極層７の上に、これらの電極を保護するための金属材料等からなる保護層をさらに設けてもよい。
【００８０】
また、図１０に示すように、ドレイン電極層７が有する強磁性絶縁層ＤＩの磁化の向きＤＩＭをスピン注入磁化反転によって反転させるための磁化反転電極層１５を半導体層９にさらに設けたスピントランジスタ１０ａも可能である。
【００８１】
磁化反転電極層１５は半導体層９と接する強磁性絶縁層ＲＩと、強磁性絶縁層ＲＩの半導体層９側とは反対側に接する金属層ＲＥを有している。強磁性絶縁層ＲＩは半導体層９と金属層ＲＥ間のトンネル障壁を形成するように薄く形成されており、半導体層９と金属層ＲＥは、互いに直接接触させた場合にショットキー接触するものが選択されている。そして、磁化反転電極層１５とドレイン電極層７間に、スイッチＳＷ３の接続先に応じて磁化反転電圧ＶＲＤ１又はＶＲＤ２を印加することが可能となっている。
【００８２】
図１０のようにドレイン電極層７の磁化の向きＤＩＭと磁化反転電極層１５の磁化の向きＲＩＭが反平行の場合、ドレイン電極層７の磁化の向きＤＩＭを反転させるためには、スイッチＳＷ１とＳＷ２を切断し、スイッチＳＷ３をＶＲＤ１側に接続する。すると、磁化反転電極層１５の磁化の向きＲＩＭの方向にスピン偏極した電子が磁化反転電極層１５からドレイン電極層７に注入される。これにより、ドレイン電極層７の磁化の向きＤＩＭは、磁化の向きＲＩＭと平行になるように回転するトルクを受け、磁化の向きＤＩＭが反転し、ドレイン電極層７の磁化の向きＤＩＭは磁化反転電極層１５の磁化の向きＲＩＭと平行となる。逆に、ドレイン電極層７の磁化の向きＤＩＭと磁化反転電極層１５の磁化の向きＲＩＭが平行の場合には、スイッチＳＷ１とＳＷ２を切断し、スイッチＳＷ３をＶＲＤ２側に接続する。これにより、ドレイン電極層７の磁化の向きＤＩＭは、磁化反転電極層１５の磁化の向きＲＩＭと反平行になるように回転するトルクを受け、磁化の向きＤＩＭが反転し、ドレイン電極層７の磁化の向きＤＩＭは磁化反転電極層１５の磁化の向きＲＩＭと反平行となる。なお、磁化反転電極層１５は半導体層９と接する金属強磁性層を有する構成にしてもよい。
【００８３】
このように、磁化反転電極層１５をさらに設けることによって、ドレイン電極層７が有する強磁性絶縁層ＤＩの磁化の向きＤＩＭを容易に変更させることができる。また、外部磁場を印加することによってドレイン電極層７が有する強磁性絶縁層ＤＩの磁化の向きＤＩＭを反転させる場合と比較して、外部磁場を印加するための機構が不要となるため、スピントランジスタ１０の小型化が可能となる。また、スピントランジスタ１０を多数集積させた場合に、特定の素子が有する強磁性絶縁層ＤＩの磁化の向きＤＩＭのみを変更させることが容易となる。さらに、上述のように、ドレイン電極層７の磁化の向きに応じて、ドレイン電極層７に流れ込む電子量が変化する。このため、ソース電極層３の磁化の向きＳＩＭと、ドレイン電極層７の磁化の向きＤＩＭとが平行の状態及び反平行の状態の２状態を１ビットに対応させれば、１ビットの半導体メモリとなる。さらにこのような半導体メモリをＮ個集積して、Ｎビットのメモリとすることもできる。なお、磁化反転電極層１５をドレイン電極層７よりもソース電極層３に近い位置に配置し、磁化反転電極層１５によって、ソース電極層３が有する強磁性層ＳＩの磁化の向きＳＩＭを変更可能としてもよい。
【００８４】
なお、従来の半導体ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）においては、通常、キャリアの発生する方を「ソース」と定義しており、ゲート直下の半導体の導電型はソースの導電型とは異なっている。一方、本実施形態のスピントランジスタ１０においては、キャリアはスピン偏極した電子または正孔であり、半導体層４の導電型に拘わらず、キャリアが半導体層４に流れ込む方をソース電極層とする。なお、ソース電極層から注入されるのが正孔の場合には、正孔の保持するスピンとしては、抜けた電子の電子状態のスピンと反対のスピンを保持しているものとする。
【実施例１】
【００８５】
以下、本発明の効果をより一層明らかなものとするため、実施例を用いて説明する。
【００８６】
まず、ＳＯＩ基板を用意し、表面の自然酸化膜層をイオンミリングによって除去した。その後、ＳＯＩ基板上に後に図１における強磁性絶縁層ＳＩ、ＤＩとなるＣｏＦｅ２Ｏ４を３ｎｍ形成した後、この上に後に金属層ＳＥ、ＤＥとなるＡｌを１０ｎｍ形成し、さらにこの上に保護層としてＴａを２ｎｍ形成した積層膜を形成した。その後、パターニングを行い、図２に示すような形状のソース電極層３及びドレイン電極層７を形成した。ソース電極層３の形状としては、ｈ３＝２０μｍ、ｈ３ｂ＝２μｍ、ｗ３ａ＝０．５μｍとした。また、ドレイン電極層７の形状としては、ｈ７＝２０μｍ、ｗ７ｃ＝ｈ７ｃ＝５μｍ、ｈ７ｂ＝２μｍとした。
【００８７】
このような素子について、ソース電極層３とドレイン電極層７間の抵抗値を四端子法によって測定し、ソース電極層３とドレイン電極層７間の室温における磁気抵抗率を求めたところ、その値は約２０％となった。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】実施形態に係るスピントランジスタの縦断面構成を示す図である。
【図２】スピントランジスタの平面構成を示す図である。
【図３】スピントランジスタのエネルギーバンド図である。
【図４】スピントランジスタのエネルギーバンド図である。
【図５】スピントランジスタのエネルギーバンド図である。
【図６】スピントランジスタのエネルギーバンド図である。
【図７】スピントランジスタのエネルギーバンド図である。
【図８】スピントランジスタのエネルギーバンド図である。
【図９】スピントランジスタの変形例の平面構成を示す図である。
【図１０】スピントランジスタの変形例の縦断面構成を示す図である。
【符号の説明】
【００８９】
３…ソース電極層、４…半導体層、７…ドレイン電極層、９…半導体層、１０…スピントランジスタ、ＳＥ，ＤＥ…金属層、ＳＩ，ＤＩ…強磁性絶縁層、ＧＥ…ゲート電極層、ＧＩ…ゲート絶縁層。
【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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