(57)【要約】 【課題】  スピン偏極したキャリアを、ドレインから効率よく取り出すことが可能なスピントランジスタを提供する。【解決手段】  スピントランジスタ１は、強磁性体からなるソース２０と、強磁性体からなるドレイン３０と、ソース２０及びドレイン３０とショットキー接触を成す接触面を有する第１導電型の半導体層１０と、接触面とは反対側の半導体層１０の面上に直接又は絶縁体層１２を介して設けられたゲート電極４０と、を備えたスピントランジスタにおいて、ソース２０と半導体層１０との界面でのショットキー障壁の高さがΦＢであるとき、少なくともソース２０付近の半導体層１０の不純物ドーピング濃度が（２０×ΦＢ−１）×１０１８ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下である。【選択図】  図１
2009130282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性体からなるソースと、
強磁性体からなるドレインと、
前記ソース及び前記ドレインとショットキー接触する第１導電型の半導体層と、
前記ソースと前記ドレイン間の前記半導体層の領域内にチャネル層を形成するよう、前記半導体層に直接又は絶縁体層を介して設けられたゲート電極と、
を備えたスピントランジスタにおいて、
前記ソースと前記半導体層との界面でのショットキー障壁の高さがΦＢであるとき、
少なくとも前記ソース付近の前記半導体層の不純物ドーピング濃度が（２０×ΦＢ−１）×１０１８ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下であることを特徴とするスピントランジスタ。
【請求項２】
前記ソースと前記ドレインとの間のチャネル長が、スピン拡散長より短いことを特徴とする請求項１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キャリア（電子又は正孔）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、特に新たな記憶素子、多機能の論理回路、磁性素子として利用されることが期待される。
【０００３】
このスピントランジスタの構造としては、様々なものが提案されており、強磁性体（ＦＭ）からなるソース及び強磁性体（ＦＭ）からなるドレインの間に、非磁性体の半導体層を設け、その半導体層上に絶縁体層を介して電極を設けた構造が一般的に採用されている（例えば、特許文献１）。このスピントランジスタにおいて、ソース及びドレインと半導体層との間に、ショットキー接触が形成される。
【特許文献１】特開２００４−１１１９０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のスピントランジスタにおいては、スピン偏極したキャリアを、ドレインから効率良く取り出すことができなかったが、従来は、その原因は不明であった。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、スピン偏極したキャリアを、ドレインから効率よく取り出すことが可能なスピントランジスタを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明者が、スピントランジスタについて鋭意検討を行ったところ、１つにはソースから半導体層への偏極スピンの注入効率が低いため、ドレインからキャリアを取り出すことができないことが発見された。
【０００７】
そこで、本発明に係るスピントランジスタは、強磁性体からなるソースと、強磁性体からなるドレインと、ソース及びドレインとショットキー接触をする第１導電型の半導体層と、ソースとドレイン間の半導体層の領域内にチャネルを形成するよう、半導体層に直接又は絶縁体層を介して設けられたゲート電極と、を備えたスピントランジスタにおいて、ソースと半導体層との界面でのショットキー障壁の高さがΦＢであるとき、少なくともソース付近の半導体層の不純物ドーピング濃度が（２０×ΦＢ−１）×１０１８ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下であることとした。
【０００８】
本発明のスピントランジスタによれば、少なくともソース付近での半導体層の不純物のドーピング濃度を（２０×ΦＢ−１）×１０１８ｃｍ−３以上にすることで、空乏層の幅を減少させ、ソースと半導体層との接触抵抗を適切に下げることができる。「空乏層の幅」とは、金属と半導体層とを接触させた場合に、金属と半導体層との界面から、半導体部分における電位が熱平衡状態の電位に等しくなるまでの位置までの距離である。
【０００９】
また、半導体層の不純物のドーピング濃度を２×１０１９ｃｍ−３以下であれば、オーミック接触を回避してショットキー接触が維持されるため、偏極スピンを保持した状態でソースから半導体層内に特定のスピンのキャリアを注入することができる。
【００１０】
すなわち、キャリアがトンネル効果でショットキー障壁を通過すれば、そのスピンを減衰させないで、半導体層内に注入することができる。上述の条件の場合には、トンネル効果によるキャリアの通過が支配的であり、熱励起によってショットキー障壁を越えるキャリアの比率は相対的に小さくなる。このように、本スピントランジスタによれば、ソースから半導体層へのトンネル効果によるキャリアの注入率が向上する。その結果、スピン偏極したキャリアを、ドレインから効率よく取り出すことができる。
【００１１】
なお、ここで、「ソース付近」とは、ソースからの距離がソースとドレインとの間の半導体層の長さを二分割した値より小さい半導体領域を意味することとする。
【００１２】
また、ソースとドレインとの間のチャネル長がスピン拡散長より短いことが好適である。これにより、ソースから注入された偏極したキャリアが、そのスピンが緩和して向きを変えてしまう前に半導体層を通り抜けることが可能となる。なお、ここで、「チャネル長」とは、ゲート電圧の印加によって半導体層の中に形成される導電層或いは反転層（チャネル層）の長さをいう。また、「スピン拡散長」とは、非磁性体中で伝導キャリアのスピンが緩和して向きを変えるまでのキャリアの走行距離をいう。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のスピントランジスタによれば、スピンを維持したキャリアの注入効率が高くなるため、ドレインから効率よく取り出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、実施形態に係るスピントランジスタについて説明する。なお、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。
【００１５】
図１（ａ）は実施形態に係るスピントランジスタ１の平面図、図１（ｂ）はＩｂ−Ｉｂ線に沿ったスピントランジスタ１の断面図、図１（ｃ）は、スピントランジスタ１の回路図である。
【００１６】
スピントランジスタ１は、ソース２０と、ドレイン３０と、半導体層１０と、半導体層１０の表面に絶縁体層１２を介して設けられたゲート電極４０とを備えている。半導体層１０は、不純物ドーピング濃度ＮＤでP（リン）が一様にドーピングされたｎ型（第１導電型）Ｓｉ層であり、厚さｔ１０を有する。絶縁体層１２は、ＳｉＯ２からなるものであり、その厚さｔ１２を有する。
【００１７】
半導体層１０上には、絶縁体層６０を介在させて電極パッド２２及び３２が離れて設けられている。また、電極パッド２２と電極パッド３２との間には、ソース２０とドレイン３０とが、チャネル長Ｌｇを隔てて設けられている。ここで、チャネル長Ｌｇとは、ゲート電圧の印加によって半導体層１０の中に形成される導電層（チャネル層５０）の長さをいう。チャネル長Ｌｇは、少なくともソース２０とドレイン３０との間に形成される。
【００１８】
ソース２０は、電極パッド２２上からチャネル層５０の一端に至るまで設けられており、電極パッド２２とは電気的に接触し、半導体層１０とはショットキー接触している。ドレイン３０は、電極パッド３２上からチャネル層５０の他端に至るまで設けられており、電極パッド３２とは電気的に接触し、半導体層１０とはショットキー接触している。ソース２０及びドレイン３０は、例えば強磁性体の材料Ｘからなるものであり、それぞれ厚さｔ２０及びｔ３０を有する。また、チャネル層５０上のソース２０とドレイン３０との間はゲート酸化膜となる絶縁体層１２により覆われている。
【００１９】
なお、本実施形態における各パラメータは、以下の通りである。
・不純物ドーピング濃度ＮＤ：３．０×１０１８ｃｍ−３
・厚さｔ１０：０．０５μｍ
・厚さｔ１２：０．０１μｍ
・チャネル長Ｌｇ：４５ｎｍ
・厚さｔ２０：０．０２μｍ
・厚さｔ３０：０．０２μｍ
である。
【００２０】
なお、材料Ｘは、仕事関数が４．２５ｅＶで、ショットキー障壁の高さが０．２０ｅＶになる強磁性体であり、好適にはＧｄ４０Ｆｅ３０Ｃｏ３０合金、すなわち、Ｇｄ、Ｆｅ及びＣｏを含む合金からなる。
また、各厚さの好適な範囲は、以下の通りである。
・０．００５μｍ≦ｔ１０≦１０００μｍ
・０．００１μｍ≦ｔ１２≦０．１μｍ
・０．０１μｍ≦ｔ２０≦１．０μｍ
・０．０１μｍ≦ｔ３０≦１．０μｍ
【００２１】
電極パッド２２と電極パッド３２とを介してソース２０とドレイン３０との間には一定電圧ＶＤＳが印加される。ゲート電極４０とソース２０との間にはスイッチＳＷが設けられており、このスイッチＳＷがオンにされると電極パッド２２と電極パッド４２とを介してソース２０とゲート電極４０との間には一定電圧ＶＧＳが印加される。
【００２２】
図２は、半導体層１０の不純物ドーピング濃度ＮＤと、ショットキー障壁の高さΦＢとを変化させた場合におけるキャリアのトンネル効果依存性を示すグラフである。すなわち、同グラフには、ソース２０からチャネル層５０へ流れ込むキャリア全体に対するトンネル効果によってソース２０からチャネル層５０へ流れ込むキャリアの比率が示されている。
【００２３】
同グラフの横軸はショットキー障壁の高さΦＢ（ｅＶ）を示し、縦軸は半導体層１０の不純物ドーピング濃度ＮＤ（ｃｍ−３）を示している。このグラフでは、半導体層（ｎ型Ｓｉ層）１０に対して、適当な仕事関数の金属を用いてショットキー障壁の高さΦＢを０．０５ｅＶ〜０．７０ｅＶの範囲で変化させつつ、半導体層１０の不純物ドーピング濃度ＮＤを１×１０１６ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３の範囲で変化させている。
【００２４】
なお、無バイアスの状態において、半導体層の導電型がｎ型である場合のショットキー障壁の高さをΦＢｎとし、ｐ型である場合のショットキー障壁の高さをΦＢｐとすると、ΦＢｎ及びΦＢｐは、以下の関係を満たしている。
【００２５】
ΦＢｎ＝ΦＭ−χ        ・・・（１）
【００２６】
ΦＢｐ＝Ｅｇ＋χ−ΦＭ  ・・・（２）
【００２７】
ここで、ΦＭは強磁性体の仕事関数、χは半導体層の電子親和力、Ｅｇは半導体層を構成する半導体材料のバンドギャップを示す。図２に示すグラフは、これらの式（式（２）及び式（３））と後述の式（６）との関係を解析的にシミュレーションすることによって得られたものである。
【００２８】
図２において、白丸印はキャリアの半導体層１０への流れ込みが主として（トンネル電流比６５％以上）トンネル効果による場合、白三角印は電子の半導体層１０への流れ込みの半分程度がトンネル効果による場合、黒三角印は電子の半導体層１０への流れ込みが主として（トンネル電流比３５％以下）熱励起による場合を示す。また、同図の点線は、ＮＤ＝（２０×ΦＢ−１）×１０１８ｃｍ−３のグラフである。
【００２９】
半導体層１０の不純物ドーピング濃度ＮＤが少なくともショットキー障壁の高さΦＢとこの関係にあるとき、空乏層の幅が減少してソース２０と半導体層１０との接触抵抗が適切に下がり、キャリアの半導体層１０への流れ込みが主としてトンネル効果によることとなる。つまり、主としてトンネル効果によりキャリアを半導体層１０に注入するためには、半導体層１０の不純物ドーピング濃度ＮＤが以下の条件を満たす必要がある。
【００３０】
・ＮＤ≧（２０×ΦＢ−１）×１０１８ｃｍ−３      ・・・（３）
【００３１】
以下、本実施形態における不純物ドーピング濃度ＮＤとショットキー障壁の高さΦＢの関係を以下に説明し、その効果を併せて説明する。
【００３２】
スピントランジスタ１のソース２０は強磁性体の材料Ｘからなるものであり、材料Ｘの仕事関数ΦＭは４．２５ｅＶである。半導体層１０はｎ型Ｓｉ層であり、ＳｉのバンドギャップＥｇは１．１ｅＶ、電子親和力χは４．０５ｅＶである。従って、スピントランジスタ１のソース２０と半導体層１０との界面におけるショットキー障壁の高さΦＢは、式（１）により０．２０ｅＶとなる。
【００３３】
図２によれば、ショットキー障壁の高さΦＢが０．２０ｅＶである場合には、不純物ドーピング濃度ＮＤが２．５×１０１８ｃｍ−3以上である必要があるが、本実施形態に係るスピントランジスタ１の半導体層１０の不純物ドーピング濃度は３．０×１０１８ｃｍ−3であり、この要件を満たしている。また、半導体層１０の不純物ドーピング濃度ＮＤが以下の条件を満たすため、半導体層１０とソース２０及びドレイン３０がオーミック接触することが回避されている。
【００３４】
・ＮＤ≦２×１０１９ｃｍ−３      ・・・（４）
【００３５】
従って、スピントランジスタ１によれば、ショットキー障壁の高さΦＢに応じて半導体層１０の不純物ドーピング濃度ＮＤが制御され、ソース２０から半導体層１０へのトンネル効果によるキャリア注入率を向上させることができる。その結果、スピン偏極したキャリアを、ドレインから効率よく取り出すことが可能となる。
【００３６】
また、スピン偏極したキャリアをドレインからより効率よく取り出すためには、トンネル効果によりソース２０から半導体層１０へ流れ込んだキャリアが、半導体層１０の中でそのスピンが緩和して向きを変えてしまう前に半導体層１０を通り抜けてドレイン３０に流れ込む必要がある。すなわち、チャネル長Ｌｇは、スピン拡散長Ｌｓより短いことが求められる。
【００３７】
図３は、スピン拡散長の不純物ドーピング濃度に対する依存性を示す図である。
【００３８】
チャネル長Ｌｇは、スピン拡散長Ｌｓより短いことが求められるが、図３に示されるように、半導体層１０中におけるスピン拡散長Ｌｓは半導体層１０の不純物ドーピング濃度ＮＤに依存する。不純物ドーピング濃度ＮＤが増加すると、スピン拡散長Ｌｓは減少する。すなわち、あるスピン拡散長Ｌｓを維持するためには、不純物ドーピング濃度ＮＤは所定の閾値未満でなければならない。スピン拡散長Ｌｓはチャネル長Ｌｇより短い必要があるため、チャネル長が与えられると、これに対応する不純物ドーピング濃度ＮＤの上限値が規定される。
【００３９】
図４は、半導体層１０の不純物ドーピング濃度ＮＤと、ショットキー障壁の高さΦＢとを変化させた場合におけるキャリアのトンネル効果依存性を示すグラフである。なお、同グラフでは、あるチャネル長Ｌｇの場合の不純物ドーピング濃度ＮＤの上限値を示している。
【００４０】
図３及び図４を参照すると、チャネル長Ｌｇが４５nｍ（図４においては１点鎖線）の場合には、不純物ドーピング濃度ＮＤが４×１０１８ｃｍ−３未満である必要があり、チャネル長Ｌｇが０．５μｍ（図４においては、２点鎖線）の場合には不純物ドーピング濃度ＮＤが１．８×１０１７ｃｍ−３未満である必要があることがわかる。
【００４１】
本実施形態の場合には、スピントランジスタ１の半導体層１０の不純物ドーピング濃度ＮＤは３．０×１０１８ｃｍ−3である。かかる場合には、図３に示されるように、半導体層１０中のスピン拡散長Ｌｓが５９ｎｍである。また、チャネル長Ｌｇはこのスピン拡散長より短いことが求められるが、チャネル長Ｌｇは４５ｎｍであり、この要件を満たしている。
【００４２】
すなわち、注入されるキャリアがトンネル効果によるものが支配的になる条件は、以下の通りである。
【００４３】
・ＮＤ≧４．２３×１０１６の場合、Ｌｇ≦ＮＤ−０．７７（１．０×１０１６）・・・（５）
・ＮＤ＜４．２３×１０１６の場合、Ｌｇ≦４５２５−７７ｌｎ（ＮＤ）  ・・・（５'）
【００４４】
また、後述のように、ソース２０の磁化方向とドレイン３０の磁化方向が同一である。従って、ソース２０からトンネル効果により半導体層１０に流れ込んだスピン偏極したキャリアは、そのスピンの方向を維持した状態で半導体層１０を通り抜けて、ドレイン３０に流れ込むことができる。その結果、スピン偏極したキャリアをドレインから効率よく取り出すことができる。
【００４５】
次に、上述のスピントランジスタ１の動作について説明する。
【００４６】
従来の半導体ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｉｔｏｒ）においては、キャリアが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とは異なるのが通常である。しかし、本発明の実施形態のスピントランジスタ１においては、半導体層１０の導電型に拘わらず、キャリアがチャネル層５０に流れ込む方をソースとする。また、キャリアが正孔である場合には、抜けた電子のスピンの向きとは逆向きのスピンを保持しているものとする。
【００４７】
原則として、ドレイン３０の磁化方向ＦＤを外部から制御することによって、スピントランジスタ１を流れる電流量を制御することができる。磁化方向ＦＳとＦＤとが同一に場合、ドレインに流れ込む電流（ドレイン電流）は大きく、逆方向の場合にはドレイン電流は小さい。ドレイン３０の磁化方向ＦＤは、別の経路から注入されるスピンによるスピン注入磁化反転によって制御することができる。本実施形態においては、ドレイン３０の磁化方向ＦＤはソース２０の磁化方向ＦＳと同一方向であるとする。
【００４８】
図５は、図１に示したスピントランジスタ１のゲート電極４０上に位置するチャネル層５０及びこれに隣接するソース２０及びドレイン３０のエネルギーバンド図である。図５においては、図１（ｃ）のスイッチＳＷを接続し、ドレイン３０の方の電圧が高くなるようにソース２０とドレイン３０との間に一定電圧ＶＤＳを印加し且つゲート電圧に正電圧を印加した場合を示している。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。なお、同図中のＥＣは半導体層１０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す。
【００４９】
なお、本例の半導体層１０の導電型はｎ型であり、ゲート電圧の印加によってｎ型のチャネル層５０がソース２０とドレイン３０との間の半導体層１０内に形成されるものとする。
【００５０】
スピントランジスタ１においては、半導体層１０が調整された不純物ドーピング濃度でドーピングされ、空乏層の幅が減少されている。そのため、ソース２０と半導体層１０との間の接触抵抗が適切に下がり、ポテンシャル障壁であるショットキー障壁が存在してもトンネル効果によりソース２０からチャネル層５０へキャリア（電子）が流れ込み易くなっている。
【００５１】
この状態で、図１のゲート電圧に正電圧を印加すると、図１のようにチャネル長Ｌｇを含む領域内にｎ型のチャネル層５０（図１（ｂ）参照）が形成されると同時に、ソース２０と半導体層１０との界面から半導体層１０側に形成された空乏層の幅が更に減少し、トンネル効果によりソース２０からチャネル層５０へキャリアがより流れ込みやすくなる。その結果、ソース２０からチャネル層５０へのトンネル効果による電子の注入率が向上される。なお、空乏層の幅Ｘｄは、ショットキー障壁の高さがΦＢ、電子の電荷量がｑ、不純物ドーピング濃度がＮＤ、ゲート電圧がＶａ、半導体の比誘電率が■ｓであるとき、以下の関係を満たす。
【００５２】
・Ｘｄ＝［（２■ｓ／（ｑ・ＮＤ））×（ΦＢ−Ｖａ）］１／２  ・・・（６）
【００５３】
また、スピントランジスタ１のチャネル長Ｌｇが、スピン拡散長Ｌｓより短く且つドレイン３０の磁化向きＦＤ及びソース２０の磁化向きＦＳが平行である。そのため、チャネル層５０に流れ込んだスピン偏極した電子は、そのスピンが緩和しスピンの方向が変わってしまう前にチャネル層５０を通り抜け、効率よくドレイン３０に流れ込まれる。
【００５４】
ソース２０は強磁性体からなるため、ソース２０からチャネル層５０へ流れ込む電子のスピンの方向はソース２０の磁化方向ＦＳと同一方向を有する。また、磁化方向ＦＳに平行なスピンの電子の状態密度と、反平行なスピンの電子状態密度との比は、磁化方向ＦＳに平行なスピンの電子の数と、反平行なスピンの電子の数との比となる。
【００５５】
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本実施形態は本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。具体的には、本実施形態においては、ソース２０とドレイン３０を構成する強磁性体として材料Ｘが用いられているが、Ｃｏ、ＣｏＦｅ等の遷移金属、Ｃｏ２ＭｎＳｉ等のホイスラー合金などのハーフメタル、Ｆｅ３Ｓｉ等の強磁性シリサイドであってもよい。また、本実施形態においては、半導体層１０がＰ（ｎ型不純物）で一様にドーピングされているが、少なくともソース２０とショットキー接触する界面付近が式（３）及び式（４）を満たすようにドーピングされている限り全体的にドーピングされていなくてもよい。この場合には、半導体層１０中のキャリアのスピン拡散長Ｌｓが、長くなると予想されるので、それに合わせてチャネル長Ｌｇも長くすることができる。
【００５６】
本実施形態において、半導体層１０はｎ型Ｓｉ層であるが、不純物ドーピング濃度ＮＤ及びチャネル長Ｌｇが本実施形態に説明された要件を満たす限り、その導電型がｐ型でもよく、またＳｉ以外の他の半導体材料からなる層であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】一実施形態に係るスピントランジスタ１を示す図である。
【図２】半導体層１０の不純物ドーピング濃度ＮＤと、ショットキー障壁の高さΦＢとを変化させた場合におけるキャリアのトンネル効果依存性を示すグラフである。
【図３】スピン拡散長の不純物ドーピング濃度に対する依存性を示す図である。
【図４】半導体層１０の不純物ドーピング濃度ＮＤと、ショットキー障壁の高さΦＢとを変化させた場合におけるキャリアのトンネル効果依存性を示すグラフである。
【図５】スピントランジスタ１のエネルギーバンド図である。
【符号の説明】
【００５８】
１…スピントランジスタ、１０…半導体層、１２…絶縁体層、２０…ソース、３０…ドレイン、４０…ゲート電極、２２，３２，４２…電極パッド、５０…チャネル層、Ｌｇ…チャネル長、Ｌｓ…スピン拡散長、６０…絶縁体層。
【図１】
2009130282.tif 000003
【図２】
2009130282.tif 000004
【図３】
2009130282.tif 000005
【図４】
2009130282.tif 000006
【図５】
2009130282.tif 000007