(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板上に形成された複数領域の強磁性体材料のうち、２つの異なる領域の強磁性体材料に絶縁体を介在して作成される２つの強磁性トンネル接合と、この２つの強磁性トンネル接合を直列接続し、その両端の一方をソース電極に、他方をドレイン電極にし、２つの強磁性トンネル接合の間を中央電極とし、該中央電極に接するように抵抗体を形成したゲート電極で構成されることを特徴とする強磁性単電子素子。
【請求項２】
強磁性体材料は分子線エピタキシー法、化学的気相成長法、真空蒸着法またはスパッタ法により作成し、絶縁体は陽極酸化法、自然酸化法またはプラズマ酸化法により作成し、ソース電極、ドレイン電極および中央電極の磁化方向は、ゼロ磁場では反強磁性的に配列し、外部磁場の印加により強磁性的配列をとるように構成したことを特徴とする請求項１記載の強磁性単電子素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は強磁性単電子素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、極微細構造の強磁性トンネル接合のトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）を利用した単電子素子が提案され、磁気ＲＡＭへの応用が検討されているが、従来の三端子構造のゲート電極への接続は静電的に行われている。図６に従来型の構造である容量結合型強磁性単電子素子の回路図を示す。
【０００３】
図６において、強磁性単電子素子は強磁性体材料１，２，３を絶縁性基板上に形成し、絶縁体４を作成することで２つの強磁性体材料１，３及び強磁性体金属２，３を直列接続して強磁性トンネル接合を作成し、その両端をソース電極６とドレイン電極７、２つの強磁性トンネル接合の間を中央電極５とし、中央電極５に接するようにキャパシタンス（容量値Ｃｇ）１０を形成したゲート電極８で構成される。その中央電極５は背景電荷Ｑｏが存在している。
【０００４】
図７はこの素子のゲート電圧Ｖｇにより制御される中央電極５での背景電荷総量Ｑ＝ＣｇＶｇ＋Ｑｏとドレイン電流Ｉｄの関係を図示している。そして、ドレイン電流Ｉｄは、ゲート電圧Ｖｇと背景電荷Ｑｏにより制御される関係にある。
【０００５】
仮にあるゲート電圧Ｖｇにより動作点をＡ点と設定していたとしても、換言すれば、中央電極の背景電荷総量Ｑが０.５（ｅ）となるようにゲート電圧Ｖｇと初期の背景電荷Ｑｏを制御していたとしても、その背景電荷Ｑｏが何らかの外乱によりその位置を僅かながら移動させ、背景電荷総量Ｑが０.５（ｅ）→０.６（ｅ）へと２０％ほどの揺らぎを示し（ΔＱ＝２０％）、動作点がＡ点からＢ点へ移動したとすると、ドレイン電流Ｉｄは５０（ｎＡ）から２５（ｎＡ）へと大きく変化することになる。
【０００６】
つまり、ここではゲート電圧Ｖｇを一定に保持しているにもかかわらず、中央電極での背景電荷Ｑｏが２０％の揺らぎを示しただけで、ドレイン電流Ｉｄは５０％もの揺らぎを示すことになる。即ち、背景電荷の揺らぎΔＱｏ＝２０％だけ変化すると、背景電荷総量の揺らぎΔＱも２０％変化し、結果的にドレイン電流Ｉｄは５０％の変化を示すことになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の強磁性単電子素子は、ゲート電極と中央電極とを、キャパシタンスを配置することで静電的に結合する、所謂、容量結合型ゲート構造をしていたので、この構造では、外乱により生じた素子周辺部のごく僅かな電荷の揺らぎが素子特性を変動させてしまい、強磁性単電子素子の動作点が不安定であると言う問題があった。そこで本発明は、外乱による動作不安定を改善し、集積化を可能にする、高集積密度化に適した強磁性単電子素子を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明の請求項１に係る強磁性単電子素子は、絶縁性基板上に形成された複数領域の強磁性体材料のうち、２つの異なる領域の強磁性体材料に絶縁体を介在して作成される２つの強磁性トンネル接合と、この２つの強磁性トンネル接合を直列接続し、その両端の一方をソース電極に、他方をドレイン電極にし、２つの強磁性トンネル接合の間を中央電極とし、該中央電極に接するように抵抗体を形成したゲート電極で構成した。
【００１０】
この発明の請求項２に係る強磁性単電子素子は、絶縁性基板上に形成された複数領域の強磁性体材料のうち、２つの異なる領域の強磁性体材料に絶縁体を介在して作成される２つの強磁性トンネル接合と、この２つの強磁性トンネル接合を直列接続し、その両端の一方をソース電極に、他方をドレイン電極にし、２つの強磁性トンネル接合の間を中央電極とし、該中央電極に接するように抵抗体を形成したゲート電極で構成し、前記強磁性体材料は分子線エピタキシー法、化学的気相成長法、真空蒸着法またはスパッタ法により作成し、前記絶縁体は陽極酸化法、自然酸化法またはプラズマ酸化法により作成し、ソース電極、ドレイン電極および中央電極の磁化方向は、ゼロ磁場では反強磁性的に配列し、外部磁場の印加により強磁性的配列をとるように構成した。
【００１１】
これにより、本発明の強磁性単電子素子は、強磁性体材料と絶縁体からなる非常に微細な強磁性トンネル接合を直列に２つ形成し、その間に形成された中央電極とゲート電極とを抵抗体により結合させることで抵抗結合型強磁性単電子素子を実現でき、外乱による動作特性の変動が生じることがなく、外乱に対して非常に安定な強磁性単電子素子を実現することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図１乃至図５に基づいて以下に詳述する。図１は本発明に係わる強磁性単電子素子の構造を示し、図２にその回路図を示している。図において、図６と同一物には同一符号を付している。
【００１３】
分子線エピタキシー法、化学的気相成長法、真空蒸着法またはスパッタ法により強磁性体材料１，２，３を絶縁性基板上に形成し、陽極酸化法、自然酸化法またはプラズマ酸化法により絶縁体４を作成することで２つの強磁性体材料１，３及び強磁性体材料２，３を直列接続して強磁性トンネル接合を作成し、その両端の一方をソース電極６とし、他方をドレイン電極７とする。この２つの強磁性トンネル接合の間を中央電極５とし、中央電極４に接するように抵抗体（抵抗値Ｒｇ）９を形成したゲート電極８で構成される。
【００１４】
そして、ソース電極６、ドレイン電極７および中央電極５の磁化方向は矢印で示し、ゼロ磁場では反強磁性的に配列し、外部磁場の印加により強磁性的配列をとる。また、各々の強磁性トンネル接合でのトンネル接合抵抗は、スピン依存トンネル効果により決まり、強磁性配列ではＲp 、反強磁性配列ではＲapとなる（Ｒp ＜Ｒap）。  このように、本発明の強磁性単電子素子は抵抗結合型強磁性単電子素子の構成とする。
【００１５】
図１の中央電極５には背景電荷Ｑｏが存在している。図３には、各々の強磁性トンネル接合でのトンネル容量をＣ１，Ｃ２とした時の、この素子のゲート電圧Ｖｇにより制御される中央電極５での背景電荷総量Ｑ＝（Ｃ１＋Ｃ２）Ｖｇ−Ｃ２Ｖｄとドレイン電流Ｉｄの関係を図示している。
【００１６】
図３から明らかなように、図７に示す従来の容量結合型強磁性単電子素子の中央電極での背景電荷総量Ｑとドレイン電流の関係とは異なり、本発明の抵抗結合型の強磁性単電子素子のドレイン電流Ｉｄは背景電荷Ｑｏに対する依存性はなく、完全にゲート電圧Ｖｇとドレイン電圧Ｖｄのみで制御される関係にある。
【００１７】
従って、動作点がＡ点となるようにゲート電圧を設定しておけば、仮に中央電極５で背景電荷Ｑｏが揺らぎを示したとしても、動作点は変動せずにＡ点のままである。換言すれば、ゲート電圧Ｖｇとドレイン電圧Ｖｄを一定に保持していれば、中央電極５での背景電荷Ｑｏが存在していても、背景電荷総量の揺らぎΔＱは０％であり、結果的にドレイン電流の揺らぎΔＩｄも０％である。即ち、ドレイン電流Ｉｄは背景電荷Ｑｏに対して、何ら一切の依存関係を持たないことになる。
【００１８】
図４には本発明の強磁性単電子素子の第１の構成例を示し、斜め蒸着法により、強磁性トンネル接合を形成する強磁性体材料同士を一部重なるように形成した例である。図４（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＡ−Ａ’断面図、（Ｃ）はＢ−Ｂ’断面図を示す。絶縁性基板の上に強磁性体材料を形成し、絶縁体を介在させて２つの強磁性トンネル接合を作成している。
【００１９】
図５は本発明の強磁性単電子素子の第２の構成例を示し、強磁性トンネル接合を形成する強磁性体材料を重ならないように形成した例である。図４と同様に、図５（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＡ−Ａ’断面図、（Ｃ）はＢ−Ｂ’断面図を示す。局所酸化法を用いて、絶縁性基板の上に強磁性体材料を形成し、絶縁体を介在させて２つの強磁性トンネル接合を作成している。
【００２０】
図８には、従来型の容量結合型強磁性単電子素子と本発明の抵抗結合型強磁性単電子素子における動作特性の対応関係を、ドレイン電流Ｉｄ、背景電荷総量Ｑと背景電荷Ｑｏとゲート電圧Ｖｇの関係、背景電荷Ｑｏの揺らぎによる動作点の影響に関して、一覧表にまとめたものである。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように、本発明の強磁性単電子素子は、強磁性体材料と絶縁体からなる非常に微細な強磁性トンネル接合を直列に２つ形成し、その間に形成された中央電極とゲート電極とを抵抗体により結合させることで抵抗結合型強磁性単電子素子を実現でき、外乱による動作特性の変動が生じることがなく、外乱に対して非常に安定な強磁性単電子素子を実現することができる。その結果、従来の容量結合型強磁性単電子素子に比べ高性能な強磁性単電子素子を実現でき、本発明の強磁性単電子素子を用いて集積回路を作製した際には、その動作特性の安定にも寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の抵抗結合型の強磁性単電子素子の構造図。
【図２】本発明の抵抗結合型の強磁性単電子素子の回路図。
【図３】本発明の強磁性単電子素子の中央電極での背景電荷総量とドレイン電流の関係図。
【図４】本発明の強磁性単電子素子の第１の構成例図。
【図５】本発明の強磁性単電子素子の第２の構成例図。
【図６】従来の容量結合型強磁性単電子素子の回路図。
【図７】従来型の強磁性単電子素子の中央電極での背景電荷総量とドレイン電流の関係図。
【図８】従来型と本発明の強磁性単電子素子における動作特性の対応一覧表。
【符号の説明】
１，２，３        強磁性体材料
４                絶縁体
５                中央電極
６                ソース電極
７                ドレイン電極
８                ゲート電極
９                抵抗体
１０              キャパシタンス
【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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