專利名稱：自旋晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種晶體管，特別是關(guān)于一種應(yīng)用電子自旋特性的自旋晶體管(spin transistor，or magneto transistor)。
背景技術(shù)：
自旋晶體管為新一代的電子組件，利用電子的自旋特性與外加磁場(chǎng)作用來(lái)控制電流流量，進(jìn)而產(chǎn)生類似傳統(tǒng)晶體管的效應(yīng)。電子的自旋特性具有上旋與下旋(spin up and spin down)兩種自旋狀態(tài)，因此利用電子自旋特性的組件將比傳統(tǒng)組件只利用電子電荷有更多的控制參數(shù)及使得電路設(shè)計(jì)更有彈性。
目前所開(kāi)發(fā)的自旋晶體管為雙勢(shì)壘(barrier)自旋晶體管結(jié)構(gòu)，在晶體管中提供兩種勢(shì)壘并結(jié)合磁電阻組件，利用自旋電子在磁電阻組件中不同磁矩排列狀態(tài)的情況下通過(guò)勢(shì)壘與否，來(lái)產(chǎn)生磁電流變化。如1995年Monsma所提出的自旋晶體管架構(gòu)與制程，是將兩片摻雜n型離子之硅基板以面對(duì)面方式真空黏著分別作為發(fā)射極與集電極，中間夾一個(gè)金屬自旋閥(spin valve)做為基極(base)，自旋閥的材料為鉑(Pt)/鈷(Co)/銅(Cu)/鈷(Co)。晶體管的發(fā)射極/基極及基極/集電極均為肖特基勢(shì)壘(Schottky barrier)接面結(jié)構(gòu)。在發(fā)射極/基極施加順向偏壓，則電子從硅基板跨過(guò)勢(shì)壘注入基極成為熱電子。而熱電子的傳送將受到自旋閥中的兩鈷層磁化方向是否相同的影響，當(dāng)兩鈷層磁化方向相反，不論是自旋向上或自旋向下的電子均受到阻礙，通過(guò)的電流較小。當(dāng)兩層鈷層的磁化方向平行，此時(shí)自旋向上的電子通過(guò)的機(jī)率增加，電流增大。此組件的優(yōu)點(diǎn)為可以在室溫達(dá)到200％以上的磁電流變化率，但是輸出電流非常小，使其用途受到限制，且由于制作較困難，組件結(jié)構(gòu)難以微小化。
另一種雙勢(shì)壘的自旋晶體管結(jié)構(gòu)是由Mizushima在1995年提出，是在作為集電極的n型砷化鎵(GaAs)基板上制作一磁電阻組件作為基極，由鋁氧化而成的氧化鋁作為一勢(shì)壘，并在氧化鋁上鍍上金屬作為發(fā)射極。此結(jié)構(gòu)雖可解決制作過(guò)程中的問(wèn)題，使組件較易小型化，且在低溫下磁電流變化率可達(dá)3400％。但是砷化鎵基板的成本昂貴，氧化鋁金屬層所產(chǎn)生的氧化鋁層的均一性不容易控制，同時(shí)，為防止破壞氧化鋁層，需使用較小的輸入電流導(dǎo)致輸出電流也無(wú)法提高，且此結(jié)構(gòu)在低溫下才能達(dá)到良好的磁電流變化率。
為提高雙勢(shì)壘自旋晶體管結(jié)構(gòu)的操作溫度，于2002年P(guān)arkin設(shè)計(jì)出一種新的磁隧道晶體管(magnetic tunnel transistor)，可以在室溫下操作，并達(dá)到1微安培(μA)的輸出及磁電流變化率可以大到64％。此結(jié)構(gòu)是在作為集電極的n型砷化鎵基板上成長(zhǎng)一層3納米(nm)的鐵鈷合金層(Co84Fe16)作為基極，再在其表面成長(zhǎng)一層鋁金屬層并氧化成為氧化鋁層，在氧化鋁層上形成5納米(nm)的鐵鈷合金層(Co84Fe16)作為發(fā)射極。其特點(diǎn)是在發(fā)射極上蒸鍍反鐵磁的銥錳合金層(Ir22Mn78)作為釘扎層，可以將發(fā)射極的磁化方向釘住(pinned)，上面再覆蓋一層5納米的鉭(Ta)金屬層。再控制適當(dāng)?shù)耐饧哟艌?chǎng)，即可以僅改變基極的磁化方向，但不影響發(fā)射極的磁化方向，如此，即可控制入射電子的自旋方向。但是此方法同樣有砷化鎵基板的成本昂貴，氧化鋁金屬層所產(chǎn)生的氧化鋁層的均一性不容易控制的問(wèn)題，而且要達(dá)到較佳的磁電流變化率，需要品質(zhì)良好的鍍層來(lái)組成高電流變化率的磁電阻組件，在制造上具有相當(dāng)大的難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種自旋晶體管，以磁電阻組件作為發(fā)射極，并利用提供單一勢(shì)壘的被動(dòng)組件作為集電極，基極形成于兩者之間，再結(jié)合基極電阻使集電極工作點(diǎn)產(chǎn)生飄移。由單一勢(shì)壘結(jié)構(gòu)能有效地增加通過(guò)勢(shì)壘的磁電阻電流的變化率，并提高輸出電流。
本發(fā)明的自旋晶體管含有發(fā)射極、集電極、基極與基極電阻，發(fā)射極為磁電阻組件，分別在不同外加磁場(chǎng)的情況下提供不同電阻；集電極為被動(dòng)組件，提供單一勢(shì)壘；基極間隔于發(fā)射極與集電極之間，分別電性導(dǎo)通于發(fā)射極與集電極；基極電阻連接于基極以提供偏壓。磁電阻組件可經(jīng)由外加磁場(chǎng)的控制，而產(chǎn)生高電阻與低電阻，故可于固定電壓之下產(chǎn)生不同大小的發(fā)射極電流，使得在不同外加磁場(chǎng)的情形下，通過(guò)被動(dòng)組件的勢(shì)壘的集電極電流也隨之產(chǎn)生變化。而連接在基極的基極電阻可根據(jù)不同外加磁場(chǎng)而產(chǎn)生不同的偏壓(bias)，使集電極工作點(diǎn)產(chǎn)生飄移，此一作用可更增加集電極電流的變化率。
其中，磁電阻組件可包含鐵磁層，并直接與集電極連接。如此，即利用磁電阻組件所包含的鐵磁層作為基極，使發(fā)射極與基極組成磁電阻組件，并與集電極之被動(dòng)組件電性導(dǎo)通。
為使對(duì)本發(fā)明的目的、構(gòu)造特征及其功能有進(jìn)一步的了解，配合附圖詳細(xì)說(shuō)明如下


圖1為本發(fā)明實(shí)施例之自旋晶體管結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為自旋晶體管的集電極電流變化率測(cè)量電路示意圖；圖3為穿隧式磁電阻組件的自旋晶體管的電流變化率測(cè)量結(jié)果圖；圖4為穿隧式磁電阻組件的自旋晶體管的電流變化率測(cè)量結(jié)果圖；圖5為自旋閥磁電阻組件的自旋晶體管的電流變化率測(cè)量結(jié)果圖；及圖6為自旋閥磁電阻組件的自旋晶體管的電流變化率測(cè)量結(jié)果圖。
其中，附圖標(biāo)記110 發(fā)射極120 基極121 基極電阻130 集電極131 歐姆接觸層140 發(fā)射極電壓150 基極電壓160 安培計(jì)具體實(shí)施方案參考圖1，其為本發(fā)明第一實(shí)施例的自旋晶體管結(jié)構(gòu)示意圖，包含發(fā)射極110、基極120、基極電阻121、集電極130與歐姆接觸層131，發(fā)射極110為由磁性多層膜所形成的磁電阻組件，以分別在有外加磁場(chǎng)或無(wú)外加磁場(chǎng)的情況下，提供不同的電阻；集電極130為含p-n接面之p-n基板，用以提供單一勢(shì)壘，并在集電極上鍍金以作為歐姆接觸層131；基極120間隔在發(fā)射極110與集電極130之間，以分別連接于發(fā)射極110與集電極130；基極電阻121則連接于基極120。其中，磁電阻組件可為穿隧式磁電阻組件、自旋閥磁電阻組件、巨磁電阻組件和沖擊式磁電阻組件等任何因?yàn)榇艌?chǎng)改變而改變其電阻值的磁電阻組件，被動(dòng)組件除了p-n二極管也可選擇肖特基二極管或其它二極管，如p-i-n二極管、平面摻雜勢(shì)壘二極管(planar-doped-barrier diode)、隧道二極管(tunnel diode)、共振穿遂二極管(resonant-tunneling diode)、共振能帶間穿遂二極管(resonant-interband-tunneling diode)、單勢(shì)壘穿遂二極管(single-barrier tunnel diode)、單勢(shì)壘能帶間穿遂二極管(single-barrierinterband-tunneling diode)、實(shí)空間傳導(dǎo)二極管(real-space-transferdiode)、異質(zhì)結(jié)構(gòu)熱電子二極管(heterostructure hot-electron diode)、撞擊電離雪崩渡時(shí)二極管(impact-ionization-avalanche transit-timediode)、能障注入渡時(shí)二極管(barrier-injection transit-time diode)、p-i-n光二極管(p-i-n photodiode)、肖特基光二極管(Schottky-barrierphotodiode)及雪崩光二極管(avalanche photodiode)等任意被動(dòng)組件。
自旋晶體管的集電極電流變化率需經(jīng)測(cè)量得知，參考圖2，其為自旋晶體管的集電極電流變化率測(cè)量電路示意圖，分別于發(fā)射極110端與基極120端提供發(fā)射極電壓源與基極電壓源，以提供發(fā)射極電壓(VE)140與基極電壓(VB)150，并以安培計(jì)160測(cè)量輸出的集電極130電流。輸入的發(fā)射極110電流為發(fā)射極110至基極120間的電壓(VEB)除以磁電阻組件的電阻。因此，根據(jù)在不同外加磁場(chǎng)的情況下，磁電阻組件將提供不同電阻，進(jìn)而產(chǎn)生不同的輸入電流，得到相應(yīng)的輸出電流。
由于本發(fā)明的自旋晶體管為單一勢(shì)壘(single potential barrier)結(jié)構(gòu)，不但簡(jiǎn)化整體的自旋晶體管結(jié)構(gòu)，使各組件的制作都可整合至半導(dǎo)體的制作過(guò)程，可將發(fā)射極、基極與集電極整合制作于一基板上，此基板可為半導(dǎo)體基板，如硅基板或砷化鎵基板，也可使用塑料或玻璃基板。此結(jié)構(gòu)也可大幅增加輸入電流，使輸出電流相應(yīng)提升，進(jìn)而增進(jìn)集電極電流變化率。
為實(shí)際驗(yàn)證本發(fā)明的自旋晶體管的室溫電流變化率，以穿隧式磁電阻組件作為本發(fā)明實(shí)施例中的磁電阻組件進(jìn)行室溫電流變化率的測(cè)量，穿隧式磁電阻組件是由第一鐵磁層、絕緣層、第二鐵磁層層迭形成，第一鐵磁層接合于被動(dòng)組件，同時(shí)作為自旋晶體管的基極。以2000歐姆(Ω)的基極電阻，600毫伏特(mV)的發(fā)射極電壓以及0伏特的基極電壓作為實(shí)驗(yàn)的測(cè)量參數(shù)；其電流變化率的結(jié)果如圖3所示，其發(fā)射極電流由91.5降至83.6納安培，電流變化率可達(dá)9.45％；集電極電流由46.6降至41.3納安培，電流變化率可達(dá)12.8％。將基極電阻提高至100000歐姆(Ω)，發(fā)射極電壓為65毫伏特(mV)以及0伏特的基極電壓進(jìn)行測(cè)量；其電流變化率的結(jié)果如圖4所示，其發(fā)射極電流由97.8降至90.6納安培，電流變化率可達(dá)13.6％；集電極電流由80.3降至74.8納安培，電流變化率可達(dá)7.5。由此可知，通過(guò)改變基極電阻、發(fā)射極電壓與基極電壓，可改變自旋晶體管的磁電流變化率。
再以自旋閥磁電阻組件作為本發(fā)明實(shí)施例中的磁電阻組件進(jìn)行室溫電流變化率的測(cè)量，自旋閥磁電阻組件是間隔基極與被動(dòng)組件接合。以100歐姆(Ω)的基極電阻，1.26伏特的發(fā)射極電壓以及0伏特的基極電壓作為實(shí)驗(yàn)的測(cè)量參數(shù)；其電流變化率的結(jié)果如圖5所示，其發(fā)射極電流由5.15毫安降至5.03毫安，電流變化率可達(dá)2.28％；基極電流由4.68毫安降至4.61毫安，電流變化率可達(dá)1.52％；集電極電流由0.46降至0.41毫安，電流變化率可達(dá)11％。將發(fā)射極電壓調(diào)整為1伏特，維持100歐姆(Ω)的基極電阻以及0伏特的基極電壓；其電流變化率的結(jié)果如圖6所示，其發(fā)射極電流由3.988毫安降至3.922毫安，電流變化率可達(dá)1.716％；基極電流由3.964毫安降至3.906毫安，電流變化率可達(dá)1.502％；集電極電流由20微安培降至10.28微安培(μA)，電流變化率可達(dá)94.55％。
綜上所述，本發(fā)明的自旋晶體管具有較大的輸出電流與電流改變率，可在室溫下得到此結(jié)果。并可通過(guò)調(diào)整發(fā)射極電壓、基極電壓與基極電阻來(lái)改變輸出電流、電流變化率與電流增益，使得自旋晶體管應(yīng)用范圍更加廣泛。
當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種自旋晶體管，其特征在于，其包含有一發(fā)射極，為一磁電阻組件，在不同外加磁場(chǎng)的情況下提供不同電阻；一集電極，為一被動(dòng)組件，用以提供一勢(shì)壘；一基極，間隔于該發(fā)射極與該集電極之間，該發(fā)射極與該集電極透過(guò)該基極形成電性導(dǎo)通；及一基極電阻，連接于該基極以提供一偏壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋晶體管，其特征在于，該磁電阻組件是由磁性多層膜所形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋晶體管，其特征在于，該磁電阻組件是選自穿隧式磁電阻組件、自旋閥磁電阻組件、巨磁電阻組件與沖擊式磁電阻組件所組成的族群其中之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋晶體管，其特征在于，該被動(dòng)組件是選自一二極管及一電阻其中之一。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的自旋晶體管，其特征在于，該二極管選自p-n二極管、p-i-n二極管、肖特基二極管、平面摻雜位障二極管、隧道二極管、共振穿遂二極管、共振能帶間穿遂二極管、單勢(shì)壘穿遂二極管、單勢(shì)壘能帶間穿遂二極管、實(shí)空間傳導(dǎo)二極管、異質(zhì)結(jié)構(gòu)熱電子二極管、撞擊電離雪崩渡時(shí)二極管、能障注入渡時(shí)二極管、p-i-n光二極管、肖特基光二極管及雪崩光二極管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋晶體管，其特征在于，其包含一歐姆接觸層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的自旋晶體管，其特征在于，該歐姆接觸層連接于該集電極，以提供對(duì)外的電性導(dǎo)通。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋晶體管，其特征在于，該發(fā)射極、基極與集電極設(shè)置于一基板。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的自旋晶體管，其特征在于，該基板選自硅基板與砷化鎵基板所組成的族群其中之一。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的自旋晶體管，其特征在于，該基板為塑料基板。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的自旋晶體管，其特征在于，該基板為玻璃基板。
12.一種自旋晶體管，其特征在于，其包含有一集電極，為一被動(dòng)組件，用以提供一勢(shì)壘；一發(fā)射極與一基極，形成一磁電阻組件，以分別于不同外加磁場(chǎng)的情況下提供不同電阻，該基極間隔于該發(fā)射極與該集電極之間，該發(fā)射極與該集電極透過(guò)該基極形成電性導(dǎo)通；及一基極電阻，連接于該基極以提供一偏壓。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的自旋晶體管，其特征在于，該磁電阻組件由一磁性多層膜所形成。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的自旋晶體管，其特征在于，該磁性多層膜包含一鐵磁層，鄰接于該集電極，該鐵磁層用來(lái)作為該基極。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的自旋晶體管，其特征在于，該磁電阻組件選自穿隧式磁電阻組件、自旋閥磁電阻組件、巨磁電阻組件與沖擊式磁電阻組件所組成的族群其中之一。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的自旋晶體管，其特征在于，該被動(dòng)組件選自一二極管及一電阻其中之一。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的自旋晶體管，其特征在于，該二極管選自p-n二極管、p-i-n二極管、肖特基二極管、平面摻雜勢(shì)壘二極管、隧道二極管、共振穿遂二極管、共振能帶間穿遂二極管、單勢(shì)壘穿遂二極管、單勢(shì)壘能帶間穿遂二極管、實(shí)空間傳導(dǎo)二極管、異質(zhì)結(jié)構(gòu)熱電子二極管、撞擊電離雪崩渡時(shí)二極管、能障注入渡時(shí)二極管、p-i-n光二極管、肖特基光二極管及雪崩光二極管。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的自旋晶體管，其特征在于，其包含一歐姆接觸層，連接于該集電極以提供對(duì)外的電性導(dǎo)通。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的自旋晶體管，其特征在于，該發(fā)射極、基極與集電極設(shè)置于一基板。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的自旋晶體管，其特征在于，該基板選自硅基板與砷化鎵基板所組成的族群其中之一。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的自旋晶體管，其特征在于，該基板為塑料基板。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的自旋晶體管，其特征在于，該基板為玻璃基板。
全文摘要
一種自旋晶體管，是利用單一勢(shì)壘結(jié)構(gòu)，來(lái)提高通過(guò)勢(shì)壘的磁電阻電流的變化率，其含有發(fā)射極、集電極、基極與基極電阻。發(fā)射極為磁電阻組件，在不同外加磁場(chǎng)的情況下可提供不同電阻，集電極為被動(dòng)組件，用以提供單一勢(shì)壘，基極是間隔于發(fā)射極與集電極之間，分別電性導(dǎo)通于發(fā)射極與集電極，基極電阻則連接于基極以提供偏壓。
文檔編號(hào)H01L29/66GK1761069SQ20041008048
公開(kāi)日2006年4月19日 申請(qǐng)日期2004年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月11日
發(fā)明者黃瀛文, 盧志權(quán), 謝藍(lán)青, 姚永德, 黃得瑞, 朱朝居 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院