專利名稱：一種自旋晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種與自旋有關(guān)的固態(tài)開(kāi)關(guān)及放大器件，更具體地涉及全金屬性或半金屬性的pnp、 npn型自旋晶體管器件。
技術(shù)背景以半導(dǎo)體pn結(jié)為基礎(chǔ)的pnp、 npn型晶體管是半導(dǎo)體集成電路中的基本元 件，在半導(dǎo)體電子工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料，其本征晶體導(dǎo) 電性很弱，而通過(guò)引入不同價(jià)態(tài)的雜質(zhì)元素使得半導(dǎo)體材料成為以電子為主要 載流子的n型半導(dǎo)體或以空穴為主要載流子的p型半導(dǎo)體。將合適的p型和n 型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間的載流子由于存在電子濃 度差而相互擴(kuò)散，導(dǎo)致界面附近形成以內(nèi)建電場(chǎng)形式存在的自由載流子耗盡 層。內(nèi)電場(chǎng)的建立將會(huì)阻礙半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子的擴(kuò)散，在外加偏壓電場(chǎng)與 內(nèi)電場(chǎng)方向相同時(shí)，將進(jìn)一步阻礙多子的擴(kuò)散，pn結(jié)呈現(xiàn)高電阻態(tài)；而外加 偏壓電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)將被削弱或抵消，有利于多子的擴(kuò)散， 此時(shí)pn結(jié)呈現(xiàn)低阻態(tài)。以此為基礎(chǔ)，在pnp型晶體管(集電極、基極、發(fā)射極) 中，電子由基極進(jìn)入，在電壓的作用下流向發(fā)射極，其原理與pn結(jié)相同，形 成基極電流。與此同時(shí)，在集電極和發(fā)射極間加電壓，由于基極存在導(dǎo)通電流， 電子處于非平衡態(tài)，且基極區(qū)很薄(幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米)，基極區(qū)中的非 平衡態(tài)電子可以擾亂集電極與基極間的空間電荷區(qū)，使這個(gè)pn結(jié)中的電子順 勢(shì)流動(dòng)，形成了電流的通路。由于集電極區(qū)空穴密度比基極區(qū)多上百倍，絕大 部分電子由此通過(guò)，所以其電流比基極電流大得多，而且是隨基極電流成比例 增大，這樣就形成了晶體管的放大效應(yīng)。npn型晶體管的工作原理與此類似。已知的自旋晶體管器件，比如在1993年Johnson的文獻(xiàn)1 " M. Johnson, Science 260(1993)320"中提出了一個(gè)由鐵磁性金屬發(fā)射極、 一個(gè)厚度小于自 旋擴(kuò)散長(zhǎng)度的非磁性金屬基極和另一個(gè)鐵磁性金屬集電極組成的"鐵磁性金 屬/非磁性金屬/鐵磁性金屬"三明治全金屬自旋晶體管，但該結(jié)構(gòu)不具有可加工性；因?yàn)榉谴判越饘賹尤绻∮谧孕龜U(kuò)散長(zhǎng)度，就必須小于100納米，且 該結(jié)構(gòu)為水平加工模式，要在小于100納米的層上再覆蓋一個(gè)柵極是非常困難 的，此外，由于不能一次性成膜，非磁性金屬層的晶體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)無(wú)法控制，因 此會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)器件的不穩(wěn)定。再比如IBM實(shí)驗(yàn)組提出了單勢(shì)壘磁性隧道結(jié)自旋 晶體管，其結(jié)構(gòu)為金屬(發(fā)射極)/氧化鋁/鐵磁性金屬(基極)/半導(dǎo)體材 料(集電極)；然而，由于基極與集電極之間的肖特基勢(shì)使得此類晶體管存在 以下缺點(diǎn)(1)缺乏對(duì)基極一集電極間工作電壓的有效控制；(2)在發(fā)射極 一基極間的電壓較小時(shí)，存在較大的漏電電流；(3)集電極導(dǎo)通電流過(guò)小，導(dǎo) 致放大倍率不足。再比如2002年S.Yuasa的文獻(xiàn)2 "S. Yuasa， Science 297(2002)234"中公開(kāi)了在單勢(shì)壘磁性隧道結(jié)中發(fā)現(xiàn)了自旋極化共振隧穿現(xiàn) 象，可以利用雙勢(shì)壘隧道結(jié)的共振隧穿效應(yīng)制作共振隧穿自旋晶體管。該方法 雖可以克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，但由于所依賴工作的量子化能級(jí)取決于雙 勢(shì)壘隧道結(jié)中間層的厚度、各界面的接觸和工作溫度，從而導(dǎo)致量子化能級(jí)非 常難于控制，且加工十分困難。鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，就需要有一種新的自旋晶體管，希望這種自旋晶體 管易于操控并且放大倍率高，最好還能夠穩(wěn)定工作于室溫環(huán)境、具有抗輻射性。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服已有的自旋晶體管器件不易于操控、放大倍率低的 不足，從而提供一種易于操控、放大倍率高的自旋晶體管。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種自旋晶體管，包括發(fā)射極層、基極層 和集電極層；其特征是，還包括形成在所述發(fā)射極層和所述基極層之間的第一鐵電體層，用于調(diào)節(jié)所述發(fā)射極層和所述基極層之間的空間電荷區(qū)的大小， 形成在所述基極層和所述集電極層之間的第二鐵電體層，用于調(diào)節(jié)所述基極層 和所述集電極層之間的空間電荷區(qū)的大小，所述發(fā)射極層、所述基極層和所述 集電極層采用金屬性或半金屬性材料。由于本發(fā)明的自旋晶體管是完全基于PN結(jié)工作原理，所以易于操控；利 用鐵電體層的絕緣層，調(diào)節(jié)金屬性或半金屬性材料間的空間電荷區(qū)的大小，有 效增強(qiáng)了其內(nèi)建電場(chǎng)的強(qiáng)度，從而使本發(fā)明的自旋晶體管具有了普通半導(dǎo)體晶 體管的放大和整流特性；且自旋晶體管的導(dǎo)通和放大原理與半導(dǎo)體晶體管一致。進(jìn)一步地，為了形成PNP型自旋晶體管，所述發(fā)射極層的材料為空穴型磁性金屬性或半金屬性材料，優(yōu)選USrMnO等鐵磁性的朽鈦礦型錳氧化物材料、 Fe304或Cr02等，層厚度為5nm至1000nm;所述基極層的材料為電子型磁性金 屬性材料，優(yōu)選Fe、 Co、 Ni、稀土金屬及Ni-Fe、 Co-Fe、 Co-Fe-B等磁性合 金材料或Heussler合金材料等，層厚度為3nm至100nm;所述集電極的材料 為空穴型磁性金屬性或半金屬性材料，優(yōu)選LaSrMnO等鐵磁性的鈣鈦礦型錳 氧化物材料、Fe'A或Cr02等，厚度為5nm至1000nm;所述第一鐵電體層、 第二鐵電體層的材料為鐵電性絕緣體材料，優(yōu)選鐵電體絕緣材料ScTi03、 BaTi。3或PbTi03等，層厚度為5nm至100nm。進(jìn)一步地，為了形成NPN型自旋晶體管，所述發(fā)射極層的組成材料為電子 型磁性金屬性材料，優(yōu)選Fe、 Co、 Ni、稀土金屬及Ni-Fe、 Co-Fe、 Co-Fe-B 等磁性合金材料或Heussler合金等，層厚度為3rnn至100nm;所述基極層的 材料為空穴型磁性金屬性或半金屬性材料，優(yōu)選LaSrMnO等鐵磁性的鈣鈦礦 型錳氧化物材料、Fe304或Cr02等，層厚度為5nm至1000nm;所述集電極層 的材料為電子型磁性金屬性材料，優(yōu)選Fe、 Co、 Ni、稀土金屬及Ni-Fe、 Co-Fe、 Co-Fe-B等磁性合金材料或Heussler合金等，層厚度為5nm至1000nm;所述 第一鐵電體層、第二鐵電體層的材料為鐵電性絕緣體材料，優(yōu)選鐵電體絕緣材 料ScTi03、 BaTi03或PbTi。3等，層厚度為5nm至1000nm。進(jìn)一步地，對(duì)于上述PNP型或者NPN型自旋晶體管，所述發(fā)射極層和所述 集電極層分別形成于所述基極層的兩側(cè)。進(jìn)一步地，還可以是，對(duì)于上述PNP型或者NPN型自旋晶體管，所述發(fā)射 極層和所述集電極層形成于所述基極層的同一側(cè)。進(jìn)一步地，對(duì)于上述PNP型或者NPN型自旋晶體管，還包括分別形成在所 述發(fā)射極層、所述集電極層上的發(fā)射極釘扎層和集電極釘扎層，所述釘扎層的 材料為反鐵磁性材料，優(yōu)選Ir-Mn、 Fe-Mn、 Rh-Mn、 Pt-Mn或Pd-Mn等Mn的反 鐵磁合金材料或CoO、 Ni0、 PtCr等反鐵磁性材料，所述釘扎層厚度為10nm 至lOOnm;正如前面的技術(shù)方案所描述的，當(dāng)所選用發(fā)射極層和集電極層具有 較大轎頑力時(shí)，即磁矩方向不易被外場(chǎng)所改變時(shí)，該發(fā)射極釘扎層和集電極釘 扎層可省略。進(jìn)一步地，對(duì)于上述PNP型或者NPN型自旋晶體管，所述發(fā)射極層、基極層和集電極層的橫截面為矩形、橢圓形或正六邊形；或者，所述基極層和集電 極層的橫截面具有鏤空結(jié)構(gòu)，所述鏤空結(jié)構(gòu)的橫截面是矩形環(huán)、橢圓環(huán)或正六 邊形環(huán)；或所述鏤空結(jié)構(gòu)的橫截面是包含矩形鏤空、橢圓形鏤空或正六邊形鏤空的矩形、橢圓形或正六邊形。進(jìn)一步地，所述矩形環(huán)的內(nèi)環(huán)的短邊為10nm至100000nm，外環(huán)的短邊為 20mn至200000nm，短邊和長(zhǎng)邊的比值為1:1至1:5，環(huán)寬為10nm至100000nm;所述橢圓環(huán)的內(nèi)環(huán)的短軸為10nm至100000nm，外環(huán)的短軸為20nm至 200000nm，短軸與長(zhǎng)軸的比值為1: 1至1: 5，環(huán)寬為10nm至100000nm;所述正六邊形環(huán)的內(nèi)環(huán)的邊長(zhǎng)為10nm至IOOOOO醒，外環(huán)的邊長(zhǎng)為20nm 至200000nm，環(huán)寬為10nm至100000nm;所述矩形的短邊為10nm至100000nm，短邊和長(zhǎng)邊的比值為h 1至1: 5;所述橢圓形的短軸為10nm至lOOOOOnm，短軸與長(zhǎng)軸的比值為1: 1至1: 5，所述橢圓形包括圓形；所述正六邊形的邊長(zhǎng)為10nm至100000nm。進(jìn)一步地，所述自旋晶體管是在襯底上形成的多層膜結(jié)構(gòu)的晶體管，它還 包括分別布置于所述發(fā)射極層、所述基極層、所述集電極層的上方的所述發(fā)射 極層、基極層、集電極層的金屬引線;所述襯底為半導(dǎo)體單晶晶片，優(yōu)選SrTi03， Mg0或LaA103單晶晶片；當(dāng)所述發(fā)射極層和所述集電極層分別形成于所述基 極層的兩側(cè)時(shí)，多層膜中位于最外側(cè)的一層和所述襯底直接相連，所述發(fā)射極 層、基極層和集電極層的金屬引線相互平行；當(dāng)所述發(fā)射極層和所述集電極層 形成于所述基極層的同側(cè)時(shí)，所述基極層和所述襯底直接相連，所述發(fā)射極層、 基極層和集電極層的金屬引線相互平行。進(jìn)一步地，所述襯底還可以是SOI CM0S晶體管襯底，在該襯底上還形成 有位線，字線以及所述發(fā)射極層、基極層和集電極層的金屬引線；當(dāng)所述發(fā)射 極層和所述集電極層分別形成于所述基極層的兩側(cè)時(shí)，多層膜中位于最外側(cè)的 一層和所述SOI C0MS晶體管的漏極直接相連，所述位線與所述SOI C0MS晶體 管的源極連接，所述字線與所述S0I COMS晶體管的柵極連接，所述發(fā)射極的 金屬引線與所述SOI C0MS晶體管的漏極連接，所述發(fā)射極金屬引線布置于發(fā) 射極層的下方，所述基極、集電極金屬引線布置于所述基極、集電極的上方，所述發(fā)射極、基極和集電極的金屬引線相互平行；當(dāng)所述發(fā)射極層和所述集電極層形成于所述基極層的同側(cè)時(shí)，所述位線與所述SOI COMS晶體管的源極連 接，所述字線與所述SOI C0MS晶體管的柵極連接，所述基極金屬引線與所述 SOI C0MS晶體管的漏極連接，所述基極金屬引線布置于所述基極層的下方， 所述發(fā)射極、集電極金屬引線布置于所述發(fā)射極層、集電極層的上方。所述的SOI CMOS晶體管襯底包括第一半導(dǎo)體材料層，以及依次生長(zhǎng)于 其上的隱埋氧化層和第二半導(dǎo)體材料層；該第二半導(dǎo)體材料層由SOI CMOS晶 體管的漏極、柵極和源極構(gòu)成；根據(jù)所使用的環(huán)境不同，可選用全耗盡型、雙 柵型、抗高溫型、抗脈沖型、抗高壓型等多種類型的SOI CMOS晶體管襯底。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明提供了具有無(wú)鏤空或鏤空結(jié)構(gòu)的NPN或PNP型自旋晶體管，因而具 有如下的優(yōu)點(diǎn)該自旋晶體管利用具有鐵電性的絕緣層，調(diào)節(jié)磁性電子型金屬性材料和磁 性空穴型金屬性材料間的空間電荷區(qū)的大小，有效增強(qiáng)了其內(nèi)建電場(chǎng)的強(qiáng)度； 從而使由磁性電子型金屬性材料和磁性空穴型金屬性材料構(gòu)建的NPN、 PNP型 自旋晶體管具有了普通半導(dǎo)體晶體管的放大和整流特性；且自旋晶體管的導(dǎo)通 和放大原理與半導(dǎo)體晶體管一致。此外，所述自旋晶體管由于使用磁性材料， 其器件性能可被外磁場(chǎng)調(diào)制，并可在輻射環(huán)境和高溫環(huán)境下使用，具有很強(qiáng)靈 活性和適用性。具體地來(lái)說(shuō)，在現(xiàn)有的普通半導(dǎo)體材料晶體管中，輸出的放大電流是與自 旋信息無(wú)關(guān)的；并且由于半導(dǎo)體材料中，載流子濃度小于金屬材料，故載流子 運(yùn)動(dòng)速度較低，處理信息的速度較金屬攜帶的自旋信息要慢很多。此外，由于 半導(dǎo)體器件載流子濃度小，故不能輸出較大的放大電流，否則容易造成器件的 擊穿，不具有物理上的過(guò)載保護(hù)功能；因此，也不具有抗輻射特性。在現(xiàn)有的 稀磁性半導(dǎo)體材料晶體管中，輸出電流雖與自旋有關(guān)，但終究是半導(dǎo)體材料不 能有效解決上述其它半導(dǎo)體晶體管的固有缺陷；且該類型器件只能工作在低溫 環(huán)境下。在現(xiàn)有的基于共振隧穿效應(yīng)的自旋晶體管中，由于利用量子效應(yīng)進(jìn)行 調(diào)控，該類型器件的加工工藝十分復(fù)雜；量子能級(jí)間的躍遷與溫度和外界環(huán)境 有關(guān)，故該類器件的有效工作溫度區(qū)間很窄，且不具有抗輻射特性。故與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明由于采用了基于鐵電體的全磁性金屬性PN結(jié)架構(gòu)的自旋晶體管單元，從原理上徹底解決了用金屬性材料構(gòu)建晶體管的難 題，極大的消除了漏電電流，并且在晶體管中引入了自旋相關(guān)性，保證了自旋 晶體在室溫條件下的穩(wěn)定操作和自旋信息的有效放大；此外，由于金屬性材料 本身具有抗輻射特性，因此該設(shè)計(jì)可廣泛應(yīng)用于各種環(huán)境。該自旋晶體管從加 工工藝上使用了鏤空狀和無(wú)鏤空狀納米加工技術(shù)，從而可以有效的降低工作電 流，減少功耗，便于集成于大規(guī)模電路中；并且由于納米磁性材料的電流驅(qū)動(dòng) 效應(yīng)，在大電流下，該器件的基極層可實(shí)現(xiàn)磁矩反轉(zhuǎn)，形成高阻態(tài)，自動(dòng)降低 輸出電流大小，再由反向電流或外加磁場(chǎng)初始化，可以回歸原來(lái)正常的工作狀 態(tài)，具有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)過(guò)載保護(hù)功能；最后，本發(fā)明自旋晶體管從材料上使用具有 磁性的金屬性材料，從而可以獲得較大的放大電流，在外磁場(chǎng)作用下可以調(diào)節(jié) 器件的放大倍率，進(jìn)一步保證了器件的穩(wěn)定性和靈活性。該自旋晶體管可以采 用SOI CMOS (絕緣體上硅CMOS晶體管)襯底形成功能單元，由于所述SOI CMOS 襯底具有對(duì)環(huán)境依賴性小、抗輻射、耐高溫等特性，更增強(qiáng)了本發(fā)明自旋晶體 管的環(huán)境適應(yīng)性，拓展了其應(yīng)用范圍。


圖1A為本發(fā)明提供的一種發(fā)射極層和集電極層分別形成于基極層的兩側(cè)的自旋晶體管的核心結(jié)構(gòu)剖面圖；圖IB為本發(fā)明提供的一種發(fā)射極層和集電極層形成于基極層的同一側(cè)的自旋晶體管的核心結(jié)構(gòu)剖面圖；圖2A為圖1A所示自旋晶體管核心結(jié)構(gòu)的工作原理示意圖；圖2B為圖1B所示自旋晶體管核心結(jié)構(gòu)的工作原理示意圖；圖3為本發(fā)明提供的一種自旋晶體管功能單元的等效電路圖；圖4A為本發(fā)明提供的一種構(gòu)建于普通襯底上的、發(fā)射極層和集電極層分別形成于基極層的兩側(cè)的無(wú)鏤空自旋晶體管器件的剖面圖；圖4B為本發(fā)明提供的一種構(gòu)建于普通襯底上的、發(fā)射極層和集電極層分別形成于基極層的兩側(cè)的鏤空狀自旋晶體管器件的剖面圖；圖5A為本發(fā)明提供的一種構(gòu)建于普通襯底上的、發(fā)射極層和集電極層形成于基極層的同一側(cè)的無(wú)鏤空自旋晶體管器件的剖面圖；圖5B為本發(fā)明提供的一種構(gòu)建于普通襯底上的、發(fā)射極層和集電極層形9成于基極層的同一側(cè)的鏤空狀自旋晶體管器件的剖面圖；圖6A為本發(fā)明提供的一種構(gòu)建于SOI CMOS上的、發(fā)射極層和集電極層分別形成于基極層的兩側(cè)的無(wú)鏤空自旋晶體管器件的剖面圖；圖6B為本發(fā)明提供的一種構(gòu)建于SOI CMOS上的、發(fā)射極層和集電極層分別形成于基極層的兩側(cè)的鏤空狀自旋晶體管器件的剖面圖；圖7A為本發(fā)明提供的一種構(gòu)建于SOI CMOS上的、發(fā)射極層和集電極層形 成于基極層的同一側(cè)的無(wú)鏤空自旋晶體管器件的剖面圖；圖7B為本發(fā)明提供的一種構(gòu)建于SOI CMOS上的、發(fā)射極層和集電極層形 成于基極層的同一側(cè)的鏤空狀自旋晶體管器件的剖面圖；其中，0—--普通襯底，11--一發(fā)射極層，2-—-基極層，12—一集電極層， 31—一第一鐵電體層，32--—第二鐵電體層，41一--發(fā)射極金屬引線， 42—--基極金屬引線，43—一集電極金屬引線，51----發(fā)射極釘扎層， 52—一集電極釘扎層；101——體硅層；102— 一隱埋氧化層；201——S0I CM0S晶體管源極區(qū)(N型)；202— -—S0I CM0S晶體管柵極區(qū)(P型)；203——S0I CM0S晶體管漏極區(qū)(N型；) 300—一SOI CMOS晶體管柵極絕緣介質(zhì)層；401— 一SOI CMOS晶體管源極引線層；402- -—SOI CMOS晶體管柵極引線層； E表示發(fā)射極B表示基極 C表示集電極具體實(shí)施方式
如圖1A和圖1B所示，是本發(fā)明提供的自旋晶體管的剖面圖，該自旋晶體 管是多層膜結(jié)構(gòu)的，它包括發(fā)射極層ll、基極層2和集電極層12，形成在所 述發(fā)射極層11和基極層2之間的第一鐵電體層31，形成在所述基極層2和所述集電極層12之間的第二鐵電體層32，所述發(fā)射極層11、基極層2和集電極 層12采用金屬性或半金屬性材料。依照本發(fā)明提供的自旋晶體管可以有很多 種具體實(shí)施方式
，比如根據(jù)發(fā)射極層11、基極層2和集電極層12采用不同類 型的材料可以制成NPN型或PNP型自旋晶體管；再比如發(fā)射極層和集電極層可 以形成于基極層的同一側(cè)也可以分別形成于基極層的兩側(cè)；再比如根據(jù)發(fā)射極 層11和集電極層12的轎頑力的大小，可以決定是否需要在發(fā)射極層11或集 電極層12上形成釘扎層；再比如對(duì)于多層膜中的有些膜層還可以采取非鏤空 或鏤空成環(huán)形所形成的自旋晶體管；還比如對(duì)于該多層膜所形成的基礎(chǔ)即襯底 而言，該襯底可以采用普通襯底如半導(dǎo)體單晶晶片，也可以采用SOI C0M0S 襯底等。這些不同的具體實(shí)施方式
將對(duì)應(yīng)不用的技術(shù)效果或者應(yīng)用情形，下面 將通過(guò)不同的實(shí)施例來(lái)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述，本領(lǐng)域人員也應(yīng)該清楚本發(fā) 明的內(nèi)容不限于下面這些實(shí)施例。
實(shí)施例1
如圖4A所示， 一種自旋晶體管包括一個(gè)普通襯底0，及集成于該襯底0 上的發(fā)射極層11、基極層2和集電極層12，形成在所述發(fā)射極層11和基極層 2之間的第一鐵電體層31，形成在所述基極層2和所述集電極層12之間的第 二鐵電體層32，發(fā)射極金屬引線4、基極金屬引線42和集電極金屬引線43， 形成于襯底0和發(fā)射極11之間的發(fā)射極釘扎層51，形成于集電極12和集電 極金屬引線43之間的集電極釘扎層52。本實(shí)施例自旋晶體管的發(fā)射極層和集 電極層分別形成于基極層的兩側(cè)。
該實(shí)施例是無(wú)鏤空?qǐng)D案的PNP型自旋晶體管，其多層膜結(jié)構(gòu)為在SrTi03 襯底0上依次沉積成的厚度為20nm的發(fā)射極釘扎層IrMn，厚度為50nm的 發(fā)射極LaSrMnO，厚度20nm的第一鐵電體層ScTi03，厚度為20rnn的基極Fe， 厚度為20nm的第二鐵電體層ScTi03，厚度為50nm的集電極LaSrMnO，厚度為 20nm的集電極釘扎層IrMn;如圖4A所示，通過(guò)采用已知技術(shù)對(duì)多層膜結(jié) 構(gòu)光刻后再沉積發(fā)射極金屬引線41、基極金屬引線42和集電極金屬引線 43;該自旋晶體管采用絕緣類材料如Si02填充，以起保護(hù)作用。
該自旋晶體管多層膜結(jié)構(gòu)的光刻刻蝕形狀為從圖4A的上方觀察，發(fā)射 極橫截面為矩形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)邊長(zhǎng)為1000nm，短邊長(zhǎng)為500mn;基極橫截面為矩形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)邊長(zhǎng)為800nm，短邊長(zhǎng)為500nm;集電極橫截面為橢圓形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)軸 長(zhǎng)400nm，短軸長(zhǎng)200nm。
此處的普通襯底O采用的材料為SrTi03襯底，發(fā)射極金屬引線41、基極 金屬引線42、集電極金屬引線43直接與發(fā)射極層11、基極層2和集電極 12相連。
本發(fā)明提供的基于上述結(jié)構(gòu)的自旋晶體管其在自旋信號(hào)放大功能與現(xiàn)有 技術(shù)的普通PNP型晶體管放大器工作方式、原理相同，如圖2A和圖3所示。 其特殊性在于，所輸出的放大電流為自旋極化電流，該自旋晶體管器件提供由 電流驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)過(guò)載保護(hù)功能，即當(dāng)擊穿電流通過(guò)基極時(shí)，由于納米磁性材料 所獨(dú)有的電流驅(qū)動(dòng)效應(yīng)，該層中本來(lái)與發(fā)射極、集電極平行的磁矩，因無(wú)釘扎 作用會(huì)被反轉(zhuǎn)至于發(fā)射極、集電極反平行的狀態(tài)，從而產(chǎn)生較大的電阻，進(jìn)而 自動(dòng)減小輸出電流，此時(shí)器件處于自動(dòng)保護(hù)狀態(tài)；當(dāng)擊穿電流消退后，可外加 一定磁場(chǎng)將基極磁矩重新置于與發(fā)射極、集電極平行的狀態(tài)，即正常工作狀態(tài)。
實(shí)施例2
如圖4B所示，本實(shí)施例的自旋晶體管在多層膜結(jié)構(gòu)上大體與實(shí)施例1相 同，區(qū)別在于本實(shí)施例在膜結(jié)構(gòu)中采用鏤空?qǐng)D案，下面具體描述
該鏤空?qǐng)D案自旋晶體管多層膜結(jié)構(gòu)的刻蝕形狀為發(fā)射極橫截面為矩形結(jié)
構(gòu)，長(zhǎng)邊長(zhǎng)為1000mn，短邊長(zhǎng)為500nm;基極橫截面為矩形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)邊長(zhǎng)為 800nm，短邊長(zhǎng)為500nm，且在矩形結(jié)構(gòu)內(nèi)含有橢圓形鏤空結(jié)構(gòu)，該橢圓形鏤 空結(jié)構(gòu)從基極層2貫穿到集電極釘扎層52,且該橢圓形鏤空結(jié)構(gòu)形成的內(nèi)橢 圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)300咖，內(nèi)橢圓短軸長(zhǎng)200nm;集電極釘扎層、集電極層、第二鐵電 體層的橫截面為橢圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為是與橢圓形鏤空結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)地形成外 橢圓，外橢圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)400nm，外橢圓短軸長(zhǎng)300nm，內(nèi)外橢圓環(huán)寬100nm。
其它同實(shí)施例1。本發(fā)明提供的基于上述結(jié)構(gòu)的自旋晶體管其工作原理同 實(shí)施例1中所述。
實(shí)施例3
本實(shí)施例提供一種發(fā)射極層和集電極層形成于基極層的同一側(cè)且無(wú)鏤空 圖案的PNP型自旋晶體管。如圖5A所示，該自旋晶體管的多層膜結(jié)構(gòu)為在SrTi03襯底0上依次沉積 形成的厚度為20nm的Fe基極層2，厚度20nm的ScTi03鐵電體層，厚度為 50rnn的LaSrMnO層，厚度為20mn的IrMn釘扎層；經(jīng)光刻刻蝕，并沉積金 屬引線后自然形成厚度20nm的ScTi03第一鐵電體層31，厚度為20nm的 ScTi03第二鐵電體層31，厚度為50nm的LaSrMnO發(fā)射極層11，厚度為50nm 的LaSrMnO集電極層12，厚度為20mn的IrMn發(fā)射極釘扎層51，厚度為20nm 的lrMn集電極釘扎層52;發(fā)射極金屬引線41、基極金屬引線42和集電極 金屬引線43;該自旋晶體管采用絕緣類材料如Si02填充起保護(hù)作用。
光刻刻蝕形狀為從圖5A中上方觀察，基極層橫截面為矩形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)邊 長(zhǎng)為IOOO腦，短邊長(zhǎng)為500歷；發(fā)射極層橫截面為矩形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)邊長(zhǎng)為300nm， 短邊長(zhǎng)為200nm;集電極層橫截面為矩形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)邊長(zhǎng)為300nm，短邊長(zhǎng)為 200nm;發(fā)射極層11和集電極層12分別位于基極層2的相對(duì)的兩端，在它們 之間的基極層上形成基極金屬引線42。
本實(shí)施例中采用SrTi03襯底，且發(fā)射極金屬引線41、基極金屬引線42、 集電極金屬引線43直接與發(fā)射極層、基極層和集電極層相連。
本發(fā)明提供的基于上述結(jié)構(gòu)的自旋晶體管其工作原理同實(shí)施例1中所述。
實(shí)施例4
本實(shí)施例4提供一種發(fā)射極層和集電極層形成于基極層的同一側(cè)且具有 鏤空?qǐng)D案的PNP型自旋晶體管。本實(shí)施例與實(shí)施例3大體相同，區(qū)別在于，在 集電極層的一側(cè)具有鏤空結(jié)構(gòu)，具體說(shuō)明如下
如圖5B所示，該具有鏤空?qǐng)D案的自旋晶體管多層膜結(jié)構(gòu)的刻蝕形狀為 基極層橫截面為矩形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)邊長(zhǎng)為1000nm，短邊長(zhǎng)為500nm，且具有鏤空結(jié) 構(gòu)，該鏤空結(jié)構(gòu)從基極層2向上貫穿到集電極釘扎層52，該鏤空結(jié)構(gòu)是橢圓 形的，可以認(rèn)為是內(nèi)橢圓，其內(nèi)長(zhǎng)軸長(zhǎng)為200nm，內(nèi)短軸長(zhǎng)為lOOmn;第一鐵 電體層31、發(fā)射極層11、發(fā)射極釘扎層51的橫截面為矩形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)邊長(zhǎng)為 300nm，短邊長(zhǎng)為200nm;第二鐵電體層32、集電極層12、集電極釘扎層52 的橫截面為橢圓形鏤空結(jié)構(gòu)，外長(zhǎng)軸長(zhǎng)為300nm，外短軸長(zhǎng)為200nm，內(nèi)長(zhǎng)軸 長(zhǎng)為200nm，內(nèi)短軸長(zhǎng)為lOOnm，環(huán)寬100nm。
其它同實(shí)施例3。本發(fā)明提供的基于上述結(jié)構(gòu)的自旋晶體管其工作原理同實(shí)施例1中所述。 實(shí)施例5
本實(shí)施例提供一種在SOI CMOS襯底上形成的、發(fā)射極層和集電極層分別 形成于基極層的兩側(cè)的PNP型自旋晶體管。
如圖6A所示，自旋晶體管包括一個(gè)SOICMOS襯底，及集成于該襯底上的 發(fā)射極層11、基極層2和集電極層12，形成在所述發(fā)射極層11和基極層2 之間的第一鐵電體層31，形成在所述基極層2和所述集電極層12之間的第二 鐵電體層32，與所述發(fā)射極層連接的發(fā)射極釘扎層51，形成于集電極12和集 電極金屬引線43之間的集電極釘扎層52，形成于發(fā)射極釘扎層51和襯底之 間的發(fā)射極金屬引線41，與基極層連接的基極金屬引線42，和與集電極釘扎 層連接的集電極金屬引線43，以及與襯底連接的位線401和字線402。
本實(shí)施例的SOICMOS襯底包括第一半導(dǎo)體材料層101，比如體硅層， 以及依次生長(zhǎng)于其上的隱埋氧化層102和第二半導(dǎo)體材料層；該第二半導(dǎo)體材 料層由SOI CMOS晶體管的漏極203、柵極202和源極201構(gòu)成，此處SOI CMOS 晶體管源極區(qū)為N型，柵極區(qū)為P型，漏極區(qū)為N型；在柵極202上面依次是 柵極絕緣介質(zhì)層300和柵極引線層402 (即字線)，在源極201上面有源極引 線層401 (即位線)。根據(jù)所使用的環(huán)境不同，可選用全耗盡型、雙柵型、抗 高溫型、抗脈沖型、抗高壓型等多種類型的SOICMOS襯底；
該自旋晶體管的多層膜結(jié)構(gòu)為在SOI CMOS漏極電極203 (即發(fā)射極金屬 引線41)上依次沉積厚度為20nm的IrMn發(fā)射極釘扎層51，厚度為50nm 的LaSrMnO發(fā)射極11，厚度20nm的ScTi03第一鐵電體層31，厚度為20nm 的Fe基極2，厚度為20nm的ScTi03第二鐵電體層32，厚度為50nm的LaSrMnO 集電極層12，厚度為20rnn的IrMn集電極釘扎層52;光刻形成如圖6A所示 圖形并同時(shí)沉積形成的基極金屬引線42和集電極金屬引線43;該自旋晶 體管采用絕緣類材料如Si02填充起保護(hù)作用。
該自旋晶體管的多層膜結(jié)構(gòu)的刻蝕形狀為從圖6A中上方觀察，發(fā)射極 層橫截面為矩形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)邊長(zhǎng)為1000nm，短邊長(zhǎng)為500nm;基極層橫截面為矩 形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)邊長(zhǎng)為800mn，短邊長(zhǎng)為500nrn;集電極橫截面為橢圓形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng) 軸長(zhǎng)400nm，短軸長(zhǎng)200nm。其它層的形狀是光刻加工后自然形成的。本發(fā)明提供的基于上述結(jié)構(gòu)的自旋晶體管其在自旋信號(hào)放大功能與普通
PNP型晶體管放大器工作方式、原理相同，如圖2A和圖3所示。其特殊性在 于，所述結(jié)構(gòu)可利用SOI CMOS的字線和位線在自旋晶體管陣列中選擇相應(yīng)的 自旋晶體管施加自旋電信號(hào)；所輸出的放大電流為自旋極化電流；所述自旋晶 體管器件提供由電流驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)過(guò)載保護(hù)功能，即當(dāng)擊穿電流通過(guò)基極時(shí)，由 于納米磁性材料所獨(dú)有的電流驅(qū)動(dòng)效應(yīng)，該層中本來(lái)與發(fā)射極、集電極平行的 磁矩，因無(wú)釘扎作用會(huì)被反轉(zhuǎn)至于發(fā)射極、集電極反平行的狀態(tài)，從而產(chǎn)生較 大的電阻，進(jìn)而自動(dòng)減小輸出電流，此時(shí)器件處于自動(dòng)保護(hù)狀態(tài)；當(dāng)擊穿電流 消退后，可外加一定磁場(chǎng)將基極磁矩重新置于與發(fā)射極、集電極平行的狀態(tài)， 即正常工作狀態(tài)。
實(shí)施例6
本實(shí)施例提供一種在SOI CMOS襯底上形成的、發(fā)射極層和集電極層分別 形成于基極層的兩側(cè)的、且在多層膜中具有鏤空機(jī)構(gòu)的PNP型自旋晶體管。本 實(shí)施例與實(shí)施例5大體相同，區(qū)別在于，多層膜中具有鏤空結(jié)構(gòu)，具體描述如 下
該鏤空結(jié)構(gòu)的自旋晶體管的刻蝕形狀為從圖6b所示器件的上方觀察， 發(fā)射極層橫截面為矩形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)邊長(zhǎng)為1000nm，短邊長(zhǎng)為500nm;基極層橫截 面為矩形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)邊長(zhǎng)為800nm，短邊長(zhǎng)為500nm;集電極層橫截面為內(nèi)部有 橢圓鏤空結(jié)構(gòu)的橢圓形環(huán)狀結(jié)構(gòu)，該橢圓鏤空結(jié)構(gòu)從所述基極層2向上貫穿到 集電極釘扎層52內(nèi)部，橢圓形環(huán)狀結(jié)構(gòu)的外長(zhǎng)軸長(zhǎng)400mn，外短軸長(zhǎng)200nm， 內(nèi)長(zhǎng)軸長(zhǎng)300nm，內(nèi)短軸長(zhǎng)100nm，環(huán)寬100nm。
其它同實(shí)施例5。本發(fā)明提供的基于上述結(jié)構(gòu)的自旋晶體管其工作原理同 實(shí)施例5中所述。
實(shí)施例7
本實(shí)施例提供一種在SOI CMOS襯底上形成的、發(fā)射極層和集電極層形成 于基極層的同 一側(cè)的PNP型自旋晶體管。
如圖7A所示，自旋晶體管包括一個(gè)SOI CMOS襯底，及該襯底上的基極金 屬引線42和基極層2，在基極層2的一端上依次有第一鐵電體層31、發(fā)射極層11、發(fā)射極釘扎層51和發(fā)射極金屬引線41，在基極層2的另一端上依次有 第二鐵電體層32、集電極層12、集電極釘扎層52和集電極金屬引線43，在 該SOI CMOS襯底上還形成有位線401和字線402。
本實(shí)施例的SOI CMOS襯底包括第一半導(dǎo)體材料層IOI，比如體硅層， 以及依次生長(zhǎng)于其上的隱埋氧化層102和第二半導(dǎo)體材料層；該第二半導(dǎo)體材 料層由SOI CMOS晶體管的漏極203、柵極202和源極201構(gòu)成，此處SOI CMOS 晶體管源極區(qū)為N型，柵極區(qū)為P型，漏極區(qū)為N型；在柵極202上面依次是 柵極絕緣介質(zhì)層300和柵極引線層402 (即字線)，在源極201上面有源極引 線層401 (即位線)。根據(jù)所使用的環(huán)境不同，可選用全耗盡型、雙柵型、抗 高溫型、抗脈沖型、抗高壓型等多種類型的SOI CMOS襯底。
該P(yáng)NP型自旋晶體管的多層膜結(jié)構(gòu)是在SOI CM0S漏極電極(即基極金屬 引線42)上依次沉積成的厚度為20nm的Fe基極層2，厚度20nm的ScTi03 鐵電體層，厚度為50nm的LaSrMn0，厚度為20nm的IrMn釘扎層；經(jīng)刻蝕， 并沉積金屬引線后自然形成厚度20nm的ScTi03第一鐵電體層31，厚度為 20nm的ScTia第二鐵電體層32，厚度為50nm的LaSrMnO發(fā)射極層11，厚度 為50nm的LaSrMnO集電極層12，厚度為20nm的IrMn發(fā)射極釘扎層51 ，厚 度為20nm的IrMn集電極釘扎層52;發(fā)射極金屬引線41和集電極金屬引線 43;該自旋晶體管采用絕緣類材料如Si02填充起保護(hù)作用。
該自旋晶體管多層膜結(jié)構(gòu)的刻蝕形狀為從圖7A所示器件的的上方觀察， 基極層橫截面為矩形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)邊長(zhǎng)為lOOOnm，短邊長(zhǎng)為500nm;發(fā)射極橫截面 為矩形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)邊長(zhǎng)為300nm，短邊長(zhǎng)為200nm;集電極橫截面為矩形結(jié)構(gòu)， 長(zhǎng)邊長(zhǎng)為300nm，短邊長(zhǎng)為200nm。
本發(fā)明提供的基于上述結(jié)構(gòu)的自旋晶體管其工作原理同實(shí)施例5中所述。
實(shí)施例8
本實(shí)施例提供一種在SOI CMOS襯底上形成的、發(fā)射極層和集電極層形成 于基極層的同一側(cè)的，且多層膜具有鏤空結(jié)構(gòu)的PNP型自旋晶體管。本實(shí)施例 與實(shí)施例7大體上相同，區(qū)別在于，本實(shí)施例中的多層膜結(jié)構(gòu)中具有鏤空結(jié)構(gòu)， 具體描述如下
該具有鏤空結(jié)構(gòu)的自旋晶體管的刻蝕形狀為從圖7B所示器件的上方觀察，基極層橫截面為矩形，長(zhǎng)邊長(zhǎng)為1000nra，短邊長(zhǎng)為500mn;第一鐵電極層 31、發(fā)射極層11、發(fā)射極釘扎層51和發(fā)射極金屬引線41的橫截面為矩形結(jié) 構(gòu)，長(zhǎng)邊長(zhǎng)為300nm，短邊長(zhǎng)為200nm;集電極層橫截面是具有橢圓形鏤空結(jié) 構(gòu)的橢圓形環(huán)狀結(jié)構(gòu)，外長(zhǎng)軸長(zhǎng)300nm，外短軸長(zhǎng)200nm，內(nèi)長(zhǎng)軸長(zhǎng)200皿， 內(nèi)短軸長(zhǎng)100nm，環(huán)寬100nm，且該橢圓形鏤空結(jié)構(gòu)是從基極層2向上貫穿到 集電極層12內(nèi)的。
本發(fā)明提供的基于上述結(jié)構(gòu)的自旋晶體管其工作原理同實(shí)施例5中所述。
上面是以PNP型的自旋晶體管為例來(lái)詳細(xì)介紹本發(fā)明的內(nèi)容，如果要制作 NPN型的自旋晶體管，則可以基于上述各實(shí)施例器件的多層膜結(jié)構(gòu)不改變，而 改變相應(yīng)的膜層材料，比如在實(shí)施例1中將發(fā)射極層和集電極層采用金屬Fe 材料，基極層采用LaSr阪O，就可以制作相同結(jié)構(gòu)的NPN型自旋晶體管，在其 它實(shí)施例中也一樣，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員容易做到的，在此不再贅述。
雖然在這里描述了本發(fā)明一些具體實(shí)施方式
，但是本領(lǐng)于技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn) 識(shí)到，對(duì)本發(fā)明的其他可能的改變和變形都不脫離更寬泛范圍的發(fā)明內(nèi)容和權(quán) 利要求書(shū)的范圍。
權(quán)利要求
1、一種自旋晶體管，包括發(fā)射極層、基極層和集電極層；其特征是，還包括形成在所述發(fā)射極層和所述基極層之間的第一鐵電體層，用于調(diào)節(jié)所述發(fā)射極層和所述基極層之間的空間電荷區(qū)的大小，形成在所述基極層和所述集電極層之間的第二鐵電體層，用于調(diào)節(jié)所述基極層和所述集電極層之間的空間電荷區(qū)的大小，所述發(fā)射極層、所述基極層和所述集電極層采用金屬性或半金屬性材料。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的自旋晶體管，其特征是，所述發(fā)射極層的材料 為空穴型磁性金屬性或半金屬性材料，厚度為5nm至1000nm;所述基極層的 材料為電子型磁性金屬性材料，厚度為3nm至lOOmru所述集電極的材料為空 穴型磁性金屬性或半金屬性材料，厚度為5mn至1000腿；所述第一鐵電體層、 第二鐵電體層的材料為鐵電性絕緣體材料，厚度為5 nm至lOOnm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的自旋晶體管，其特征是，所述發(fā)射極層的組成 材料為電子型磁性金屬性材料，厚度為3nm至100nm;所述基極層的材料為空 穴型磁性金屬性或半金屬性材料，厚度為5mn至1000nm;所述集電極層的材 料為電子型磁性金屬性材料，厚度為5 nm至lOOOnm;所述第一鐵電體層、第 二鐵電體層的組成材料為鐵電性絕緣體材料，厚度為5 nm至1000nm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的自旋晶體管，其特征是，所述發(fā)射極層和 所述集電極層分別形成于所述基極層的兩側(cè)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的自旋晶體管，其特征是，所述發(fā)射極層和 所述集電極層形成于所述基極層的同 一側(cè)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的自旋晶體管，其特征是，還包括分別形成 在所述發(fā)射極層、所述集電極層上的發(fā)射極釘扎層和集電極釘扎層，所述釘扎 層的材料為反鐵磁性材料，層厚度為10nm至100nm。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的自旋晶體管，其特征是，所述發(fā)射極層、 基極層和集電極層的橫截面為矩形、橢圓形或正六邊形；或者，所述基極層和 集電極層具有鏤空結(jié)構(gòu)的橫截面，所述鏤空結(jié)構(gòu)的橫截面是矩形環(huán)、橢圓環(huán)或 正六邊形環(huán)；或所述鏤空結(jié)構(gòu)的橫截面是包含矩形鏤空、橢圓形鏤空或正六邊 形鏤空的矩形、橢圓形或正六邊形。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的自旋晶體管，其特征是，所述矩形環(huán)內(nèi)環(huán)的短 邊為10nm至100000nm，外環(huán)的短邊為20 nm至200000nm，短邊和長(zhǎng)邊的比值 為l: l至l: 5，環(huán)寬為10 nm至100000nm;所述橢圓環(huán)內(nèi)環(huán)的短軸為10 nm至100000nm，外環(huán)的短軸為20 nm至 200000nm，短軸與長(zhǎng)軸的比值為1: l至l: 5,環(huán)寬為10nm至nm 100000nm;所述正六邊形環(huán)內(nèi)環(huán)的邊長(zhǎng)為10 nm至100000nm，外環(huán)的邊長(zhǎng)為20 nm 至200000nm,環(huán)寬為10 nm至lOOOOOnm;所述矩形的短邊為lOnm至lOOOOOnm,短邊和長(zhǎng)邊的比值為1: 1至1: 5;所述橢圓形的短軸為lOnm至lOOOOOnm，短軸與長(zhǎng)軸的比值為1: 1至1: 5，所述橢圓形包括圓形；所述正六邊形的邊長(zhǎng)為10 nm至lOOOOOnm。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述自旋晶體管，其特征是，所述自旋晶體管 是在襯底上形成的，所述襯底為半導(dǎo)體單晶晶片。
10、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述自旋晶體管，其特征是，所述自旋晶體 管是在襯底上形成的，所述襯底為SOI CM0S襯底。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種全金屬性PNP、NPN型自旋晶體管器件。該自旋晶體管是多層膜結(jié)構(gòu)的，它包括發(fā)射極層、基極層和集電極層，還包括形成在所述發(fā)射極層和基極層之間的第一鐵電體層，形成在所述基極層和所述集電極層之間的第二鐵電體層，所述發(fā)射極層、基極層和集電極層采用金屬性或半金屬性材料。本發(fā)明克服了已有的自旋晶體管器件不易于操控、放大倍率低的不足，而且本發(fā)明是一種穩(wěn)定工作于室溫環(huán)境、具有抗輻射性的完全基于PN結(jié)工作原理的自旋晶體管。
文檔編號(hào)H01L29/66GK101315948SQ200710099739
公開(kāi)日2008年12月3日 申請(qǐng)日期2007年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月29日
發(fā)明者劉東屏, 溫振超, 瑞哈娜, 莎麥拉, 韓秀峰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所