基于多鐵或鐵電材料的自旋晶體管的制作方法
【專利摘要】公開了一種基于多鐵/鐵電材料利用電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的自旋晶體管器件，該晶體管具有多層膜結(jié)構(gòu)，勢(shì)壘層可選用多鐵材料或鐵電材料。該自旋晶體管可采用共振隧穿方式工作，該共振隧穿模式可在外電場(chǎng)下通過多鐵性材料或鐵電性材料調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)晶體管的開關(guān)和放大特性；該自旋晶體管也可采用電場(chǎng)調(diào)節(jié)磁化強(qiáng)度的方式工作，該電場(chǎng)調(diào)節(jié)磁化強(qiáng)度通過多鐵材料或鐵電性材料的磁電耦合特性來調(diào)控磁性層材料的磁化強(qiáng)度方向，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)晶體管的開關(guān)和放大特性。上述兩種基于多鐵材料或鐵電性材料的新型的自旋晶體管與傳統(tǒng)的自旋晶體管相比，自由層磁矩方向的改變不需要外加磁場(chǎng)的調(diào)控。該自旋晶體管與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體晶體管相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有利于集成和加工等特性。
【專利說明】基于多鐵或鐵電材料的自旋晶體管
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種具有開關(guān)或放大效應(yīng)的晶體管器件，具體的說，本發(fā)明是一種基于多鐵/鐵電材料利用電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的自旋晶體管器件。
【背景技術(shù)】
[0002]晶體管是一種重要的半導(dǎo)體器件，現(xiàn)代信息技術(shù)和半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展對(duì)晶體管的性能提出了更高的要求，迫使人們?nèi)パ芯亢烷_發(fā)新的晶體管，以滿足低功耗、高靈敏度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于集成等需求。電子自旋翻轉(zhuǎn)所需的能量低于驅(qū)使電荷運(yùn)動(dòng)所需的能量，因此自旋晶體管具有低功耗和讀寫速度快等明顯優(yōu)點(diǎn)，在非易失性的可編程邏輯器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]1990 年 S.Datta 和 B.Das (App1.Phys.Lett.56,665(1990))提出了 自旋晶體管的概念，其中源極和漏極均采用鐵磁性金屬，通過柵極電壓調(diào)控電子在半導(dǎo)體中的自旋進(jìn)動(dòng)，具有傳統(tǒng)晶體管的開關(guān)特性。1993年M.Johnson提出了一種不同于傳統(tǒng)半導(dǎo)體的鐵磁金屬型自旋晶體管，這種晶體管包括:鐵磁金屬構(gòu)成的發(fā)射極，厚度小于自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度的順磁性金屬構(gòu)成的基極，鐵磁性金屬構(gòu)成的發(fā)射極。另一類自旋晶體管利用電子的共振隧穿現(xiàn)象，2002年S.Yuasa (Science 297，234(2002))等在傳統(tǒng)的磁性隧道結(jié)中通過插入非磁性的Cu發(fā)現(xiàn)了自旋極化電子的共振隧穿現(xiàn)象。2004年Zeng等提出了基于雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振遂穿效應(yīng)的晶體管(曾中明等，ZL200510064341.6)。2010年日本的Y.Shuto等(App1.Phys.Exp.3，013003(2010))通過在傳統(tǒng)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極集成磁性隧道結(jié)，成功制成了準(zhǔn)自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管，這類晶體管實(shí)現(xiàn)了自旋晶體管的部分功能，為研發(fā)自旋晶體管開辟了新的途徑。
[0004]然而，傳統(tǒng)自旋晶體管在實(shí)際應(yīng)用上受諸多因素的影響，如鐵磁金屬和半導(dǎo)體間的電導(dǎo)率匹配問題、量子阱中能級(jí)的精確調(diào)控、而且結(jié)構(gòu)和操作上都較復(fù)雜，處理速度較慢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]因此，為了克服上述傳統(tǒng)晶體管存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種新型的基于共振隧穿模式工作的自旋晶體管。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]根據(jù)本發(fā)明，提供一種自旋晶體管，該自旋晶體管具有多層膜結(jié)構(gòu)，其中該多層膜結(jié)構(gòu)以多鐵或鐵電材料作為勢(shì)壘層。
[0008]在上述自旋晶體管中，多層膜結(jié)構(gòu)具有由多鐵或鐵電材料制成的至少一層勢(shì)壘層。
[0009]在上述自旋晶體管中，多層膜結(jié)構(gòu)具有由多鐵或鐵電材料制成的兩層勢(shì)壘層。
[0010]在上述自旋晶體管中，多層膜結(jié)構(gòu)自下而上地包括:襯底、下釘扎層、下磁性層、下鐵電或多鐵層、非磁性金屬層、上鐵電或多鐵層、上磁性層、上釘扎層。[0011]在上述自旋晶體管中，多層膜結(jié)構(gòu)自下而上地包括:襯底、下釘扎層、下磁性層、下鐵電或多鐵層、中間磁性層、上鐵電或多鐵層、上磁性層、上釘扎層。
[0012]在上述自旋晶體管中，多層膜結(jié)構(gòu)自下而上地包括:襯底、下釘扎層、下磁性層、下鐵電或多鐵層、中間磁性層、勢(shì)壘層、上磁性層、上釘扎層。
[0013]在上述自旋晶體管中，多層膜結(jié)構(gòu)自下而上地包括:襯底、下釘扎層、下磁性層、下鐵電或多鐵層、中間磁性層、非磁性金屬層、上磁性層、上釘扎層。
[0014]在上述自旋晶體管中，多鐵材料為具有鐵電性、鐵磁性和鐵彈性中的至少兩種性質(zhì)的材料，鐵電材料為沒有外加電場(chǎng)下，整體呈現(xiàn)固有電偶極矩的材料。
[0015]在上述自旋晶體管中，鐵電或多鐵材料選用Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-PbTiO3 (PMN-PT)、BiFeO3(BFO)、BaTiO3 (BTO)、PbTiO3 (PTO)、SrTiO3(STO)、SrZrO3> SrTiZrO3> Pr0 7Ca0 3MnO3^BIMnO3> HoMnO3> InMnO3或YCrO3,上鐵電或多鐵層、下鐵電或多鐵層的厚度均為0.5~IOnm:
[0016]在上述自旋晶體管中，非磁性金屬層選用Cr、Au、Ag、Cu或CuN,厚度為0.5~10nm。
[0017]在上述自旋晶體管中，上、下磁性層選用過渡金屬材料Fe、Co、Ni或其合金Co_Fe、Co-Fe-B, N1-Fe-Cr, N1-Fe ;或者半金屬材料 Co-Mn-S1、Co-Fe-Al, Co-Fe-Si, Co-Mn-Al,Co-Fe-Al-S1、Co-Mn-Ge、Co-Mn-Ga, Co-Mn-Ge-Ga, La1^xSrxMnO3 或 LahCaxMnO3,其中 0〈χ〈1 ；或者稀磁半導(dǎo)體材料GaMnAs或GaMnN ;層的厚度為2~100nm。
[0018]在上述自旋晶體管中，中間磁性層選用矯頑力不大于ΙΟΟΟΑ/m的軟磁性材料，厚度為2~lOOnm。
[0019]在上述自旋晶體管中，多層膜結(jié)構(gòu)被做成橫截面為納米圓盤、納米橢圓盤、納米圓環(huán)和納米橢圓環(huán)的形狀。
[0020]本發(fā)明的基于多鐵/鐵電材料的自旋晶體管和傳統(tǒng)的自旋晶體管相比有以下優(yōu)
占-
^ \\\.[0021]1、可以基于共振隧穿模式工作，只有在共振偏壓下才會(huì)工作，不存在易開不易關(guān)的問題，處理速度快。
[0022]2、自由層磁矩方向的改變可以不需要外加磁場(chǎng)的調(diào)控，可以通過多鐵/鐵電材料由外加電場(chǎng)來調(diào)控。
[0023]3、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有利于高密度集成和加工。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]以下參照附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說明，其中:
[0025]圖1為未加電場(chǎng)時(shí)，在勢(shì)壘層中間所形成的量子阱態(tài)；
[0026]圖2(a)為加上正向偏壓后量子阱能級(jí)位置的偏離示意圖；
[0027]圖2(b)為加上反向偏壓后量子阱能級(jí)位置的偏離示意圖；
[0028]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中自旋晶體管的縱向剖面示意圖；
[0029]圖4是本發(fā)明實(shí)施例2中自旋晶體管的縱向剖面示意圖；
[0030]圖5是本發(fā)明實(shí)施例3中自旋晶體管的縱向剖面示意圖；
[0031]圖6是本發(fā)明實(shí)施例4中自旋晶體管的縱向剖面示意圖。
【具體實(shí)施方式】[0032]本發(fā)明總地來說涉及一種具有多鐵/鐵電作勢(shì)壘材料的自旋晶體管器件。注意，本發(fā)明使用的術(shù)語“鐵電材料”是指沒有外加電場(chǎng)下，整體呈現(xiàn)固有電偶極矩的材料，術(shù)語“多鐵材料”是指同時(shí)具有鐵電性、鐵磁性和鐵彈性中的兩種或兩種性質(zhì)以上的材料。圖1和圖2是本領(lǐng)域已知的電子在勢(shì)壘中形成量子阱態(tài)的示意圖，主要是用來解釋自旋極化電子通過中間的量子阱態(tài)形成共振遂穿。圖1為未加電場(chǎng)時(shí)，在勢(shì)壘層中間所形成的量子阱態(tài)，圖2(a)和圖2(b)分別為加上正、反向偏壓后量子阱能級(jí)位置的偏離示意圖。
[0033]下面通過具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的基于多鐵/鐵電作勢(shì)壘材料的自旋晶體管。
[0034]實(shí)施例1:
[0035]圖3是基于本發(fā)明電子共振隧穿效應(yīng)設(shè)計(jì)的自旋晶體管，自旋晶體管自下至上包含:
[0036]襯底層，可選用包括Si襯底、SiC、玻璃襯底或S1-SiO2襯底，MgO單晶襯底、Al2O3單晶襯底或者諸如石墨烯的有機(jī)柔性襯底等。
[0037]釘扎層，可選用Pt-Μη、Ir-Mn> Fe-Mn> N1-Mn等反鐵磁性材料,厚度為5~50nm。
[0038]磁性層，可選用的材料有:過渡金屬材料(例如Fe、Co、Ni)及其合金，例如Co_Fe、Co-Fe-B> N1-Fe-Cr> N1-Fe (如 Ni81Fe19^ Co75Fe25)等;稀磁半導(dǎo)體材料，例如 GaMnAs> GaMnN等；半金屬材料，例如 Co-Mn-S1、Co-Fe-Al > Co-Fe-Si > Co-Mn-Al > Co-Fe-Al-Si > Co-Mn-Ge-,Co-Mn-Ga、Co-Mn-Ge-GaAahSrxMnO3'LahCaxMnO3 (其中 0〈χ〈1)等，厚度為 2~lOOnm。
[0039]鐵電/ 多鐵層，可選用的材料有:Pb (Mg1/3Nb2/3)03-PbTi03 (PMN-PT)^BiFeO3(BFO)、BaTiO3 (BTO )、PbTiO3 (PTO)、SrTiO3 (STO)、SrZrO3、SrTiZrO3、Pr0.7Ca0.3Mn03、BiMnO3、HoMnO3、InMnO3 和 YCrO3 等，厚度為 0.5~10nm。
[0040]非磁性金屬層，可選非磁性金屬材料，例如Cr、Au、Ag、Cu、CuN等，厚度為
0.5~IOnm0
[0041]鐵電/ 多鐵層，可選用的材料有:Pb (Mg1/3Nb2/3)03-PbTi03 (PMN-PT)^BiFeO3(BFO)、BaTiO3 (BTO )、PbTiO3 (PTO)、SrTiO3 (STO)、SrZrO3、SrTiZrO3、Pr0.7Ca0.3Mn03、BiMnO3、HoMnO3、InMnO3 和 YCrO3 等，厚度為 0.5~10nm。
[0042]磁性層，可選用的材料有:過渡金屬材料(例如Fe、Co、Ni)及其合金，例如Co_Fe、Co-Fe-B> N1-Fe-Cr> N1-Fe (如 Ni81Fe19^ Co75Fe25)等;稀磁半導(dǎo)體材料，例如 GaMnAs> GaMnN等；半金屬材料，例如 Co-Mn-S1、Co-Fe-Al > Co-Fe-Si > Co-Mn-Al > Co-Fe-Al-Si > Co-Mn-Ge-,Co-Mn-Ga、Co-Mn-Ge-GaAahSrxMnO3'LahCaxMnO3 (其中 0〈χ〈1)等，厚度為 2~lOOnm。
[0043]釘扎層，可選用Pt-Μη、Ir-Mn> Fe-Mn> N1-Mn等反鐵磁性材料,厚度為5~50nm。
[0044]其中電極1、2分別設(shè)置為連接非磁性金屬層和釘扎層，該電極可選用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金的金屬導(dǎo)電材料。
[0045]這種新型的自旋晶體管器件的工作原理為:電子在非常薄的非磁性金屬層中可形成量子阱態(tài)，量子阱兩端的勢(shì)壘材料可選用不同的鐵電材料，非對(duì)稱的勢(shì)壘可使不同自旋電子形成的量子阱態(tài)能級(jí)不同，只有在與量子阱中能級(jí)相應(yīng)的共振隧穿電壓下，電子才會(huì)隧穿過去，因而不同自旋的電子對(duì)應(yīng)不同的共振隧穿電壓。由于鐵磁性材料的電子是自旋極化的，因此不同自旋通道對(duì)應(yīng)的電子隧穿電流大小不同，可直接通過外加偏壓調(diào)控其共振隧穿電流大小。[0046]實(shí)施例2:
[0047]如圖4所示，與實(shí)施例1的區(qū)別是中間的非磁性金屬層換成了磁性層。自旋晶體管自下至上包含:
[0048]襯底層，可選用包括Si襯底、SiC、玻璃襯底或S1-SiO2襯底，MgO單晶襯底、Al2O3單晶襯底或者有機(jī)柔性襯底等。
[0049]釘扎層，可選用Pt-Μη、Ir-Mn> Fe-Mn> N1-Mn等反鐵磁性材料,厚度為5~50nm。
[0050]磁性層，可選用的材料有:過渡金屬材料Fe、Co、N1、及其合金Co_Fe、Co-Fe-B>N1-Fe-Cr> N1-Fe (如 Ni81Fe19^ Co75Fe25)等；稀磁半導(dǎo)體材料 GaMnAs、GaMnN 等；半金屬材料 Co-Mn-S1、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si, Co-Mn-Al, Co-Fe-Al-Si, Co-Mn-Ge, Co-Mn-Ga,Co-Mn-Ge-Ga、La1^xSrxMnO3> LahCaxMnO3 (其中 0〈χ〈1)等，厚度為 2~lOOnm。
[0051]鐵電/ 多鐵層，可選用的材料有:Pb (Mg1/3Nb2/3)03-PbTi03 (PMN-PT)^BiFeO3(BFO)、BaTiO3 (BTO )、PbTiO3 (PTO)、SrTiO3 (STO)、SrZrO3、SrTiZrO3、Pr0.7Ca0.3Mn03、BiMnO3、HoMnO3、InMnO3 和 YCrO3 等，厚度為 0.5~10nm。
[0052]磁性層(以下也稱“中間磁性層”)，可選用矯頑力比較小的軟磁性材料(通常不大于 1000A/m)，如電工純鐵、Fe-Si 合金、N1-Fe 合金、Co-Fe(如 Ni81Fe19Xo75Fe25)合金和 Fe-Al合金等，厚度為2~lOOnm。
[0053]鐵電/ 多鐵層，可選用的材料有:Pb (Mg1/3Nb2/3)03-PbTi03 (PMN-PT)^BiFeO3(BFO)、BaTiO3 (BTO )、PbTiO3 ( PTO)、SrTiO3 (STO)、SrZrO3、SrTiZrO3、Pr0.7Ca0.3Mn03、BiMnO3、HoMnO3、InMnO3 和 YCrO3 等，厚度為 0.5~10nm。
[0054]磁性層，可選用的材料有:過渡金屬材料Fe、Co、N1、及其合金Co_Fe、Co-Fe-B>N1-Fe-Cr> N1-Fe (如 Ni81Fe19^ Co75Fe25)等；稀磁半導(dǎo)體材料 GaMnAs、GaMnN 等；半金屬材料 Co-Mn-S1、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si, Co-Mn-Al, Co-Fe-Al-Si, Co-Mn-Ge, Co-Mn-Ga,Co-Mn-Ge-Ga、La1^xSrxMnO3> LahCaxMnO3 (其中 0〈χ〈1)等，厚度為 2~lOOnm。
[0055]釘扎層，可選用Pt-Μη、Ir-Mn> Fe-Mn> N1-Mn等反鐵磁性材料,厚度為5~50nm。
[0056]其中電極1、2可選用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金的金屬導(dǎo)電材料。
[0057]此種結(jié)構(gòu)的工作原理為:鐵電/多鐵層電極化強(qiáng)度的方向可影響磁性層磁化強(qiáng)度的方向，初始假設(shè)中間磁性層(靠近鐵電/多鐵層的磁性層，即夾在兩個(gè)鐵電/多鐵層之間)的磁化強(qiáng)度方向與釘扎磁性層(靠近釘扎層)相同，通過調(diào)節(jié)電極I上的電壓的方向和大小，可改變鐵電/多鐵材料中電極化強(qiáng)度的方向，通過磁電耦合效應(yīng)可改變中間磁性層磁化強(qiáng)度的方向。當(dāng)中間磁性層與釘扎磁性層磁化方向處于平行排布時(shí)，電子較易隧穿中間的磁性層，此時(shí)的隧穿電流較大。當(dāng)二者的磁化方向處于反平行排布時(shí)，電子遂穿幾率非常小，可以通過電極I上的電壓大小和方向調(diào)控遂穿電流的大小。這種基于電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的雙勢(shì)壘自旋晶體管與傳統(tǒng)的雙勢(shì)壘自旋晶體管相比，中間磁性層磁化強(qiáng)度的改變不需要外加磁場(chǎng)。
[0058]實(shí)施例3:
[0059]如圖5所示，與實(shí)施例2的區(qū)別僅是將上端的鐵電/多鐵層換成絕緣勢(shì)壘層，形成磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)自下至上包含:
[0060]襯底層，可選用包括Si襯底、SiC、玻璃襯底或S1-SiO2襯底，MgO單晶襯底、Al2O3單晶襯底或者有機(jī)柔性襯底等。[0061]釘扎層，可選用Pt-Μη、Ir-Mn、Fe-Mn、N1-Mn等反鐵磁性材料，厚度為5~50nm。[0062]磁性層，可選用的材料有:過渡金屬材料Fe、Co、N1、及其合金Co_Fe、Co-Fe-B、N1-Fe-Cr> N1-Fe (如 Ni81Fe19、Co75Fe25)等；稀磁半導(dǎo)體材料 GaMnAs、GaMnN 等；半金屬材料 Co-Mn-S1、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si, Co-Mn-Al, Co-Fe-Al-Si, Co-Mn-Ge, Co-Mn-Ga,Co-Mn-Ge-Ga、La1^xSrxMnO3> LahCaxMnO3 (其中 0〈χ〈1)等，厚度為 2~lOOnm。
[0063]鐵電/ 多鐵層，可選用的材料有:Pb (Mg1/3Nb2/3)03-PbTi03 (PMN-PT)^BiFeO3(BFO)、BaTiO3 (BTO )、PbTiO3 (PTO)、SrTiO3 (STO)、SrZrO3、SrTiZrO3、Pr0.7Ca0.3Mn03、BiMnO3、HoMnO3、InMnO3 和 YCrO3 等，厚度為 0.5~10nm。
[0064]磁性層(也稱中間磁性層)，可選用矯頑力比較小的軟磁性材料(通常不大于1000A/m)，如電工純鐵、Fe-Si 合金、N1-Fe 合金、Co-Fe (如 Ni81Fe19、Co75Fe25)合金和 Fe-Al合金等，厚度為2~lOOnm。
[0065]勢(shì)壘層，包含常見的Al-0、MgO, MghZnxO(其中 0〈x〈l)、AIN、Ta2O5, MgAl2O4, ZnO、SiMg204、Si02、Hf02、Ti02、Alq3、LB 有機(jī)復(fù)合薄膜、GaAs、AlGaAs、InAs 等材料制作，優(yōu)選 Mg。、Al-0、MgZnO, AlN和Alq3、LB有機(jī)復(fù)合薄膜，厚度一般在為0.5~10nm。
[0066]磁性層，可選用的材料有:過渡金屬材料Fe、Co、N1、及其合金Co_Fe、Co-Fe-B>N1-Fe-Cr> N1-Fe (如 Ni81Fe19^ Co75Fe25)等；稀磁半導(dǎo)體材料 GaMnAs、GaMnN 等；半金屬材料 Co-Mn-S1、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si, Co-Mn-Al, Co-Fe-Al-Si, Co-Mn-Ge, Co-Mn-Ga,Co-Mn-Ge-Ga、La1^xSrxMnO3> LahCaxMnO3 (其中 0〈χ〈1)等，厚度為 2~lOOnm。
[0067]釘扎層，可選用Pt-Μη、Ir-Mn、Fe-Mn、N1-Mn等反鐵磁性材料，厚度為5~50nm。
[0068]其中電極1、2可選用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金的金屬導(dǎo)電材料。
[0069]此時(shí)通過外加電場(chǎng)依然可以控制鐵電/多鐵層中電極化強(qiáng)度的方向。當(dāng)中間磁性層(靠近鐵電/多鐵層，即夾在鐵電/多鐵層和勢(shì)壘層之間的磁性層)與釘扎磁性層(靠近釘扎層)磁化強(qiáng)度的方向相反時(shí)，電子通過中間磁性層時(shí)會(huì)受到很強(qiáng)的散射，此時(shí)的電流較??；同理當(dāng)中間磁性層的磁化強(qiáng)度方向與兩端釘扎磁性層磁化強(qiáng)度方向相同時(shí)，電子較易隧穿中間磁性層，此時(shí)通過的電流較大，具有傳統(tǒng)晶體管的開關(guān)和放大特性。
[0070]實(shí)施例4:
[0071]如圖6所示，與實(shí)施例2的區(qū)別僅是將上端的鐵電/多鐵層換成非磁性金屬層，形成GMR結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)自下至上包含:
[0072]襯底層，可選用包括Si襯底、SiC、玻璃襯底或S1-SiO2襯底，MgO單晶襯底、Al2O3單晶襯底或者有機(jī)柔性襯底等。
[0073]釘扎層，可選用Pt-Μη、Ir-Mn、Fe-Mn> N1-Mn等反鐵磁性材料,厚度為5~50nm。
[0074]磁性層，可選用的材料有:過渡金屬材料Fe、Co、N1、及其合金Co_Fe、Co-Fe-B,N1-Fe-Cr> N1-Fe (如 Ni81Fe19^ Co75Fe25)等；稀磁半導(dǎo)體材料 GaMnAs、GaMnN 等；半金屬材料 Co-Mn-S1、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si, Co-Mn-Al, Co-Fe-Al-Si, Co-Mn-Ge, Co-Mn-Ga,Co-Mn-Ge-Ga、La1^xSrxMnO3> LahCaxMnO3 (其中 0〈χ〈1)等，厚度為 2~lOOnm。
[0075]鐵電/ 多鐵層，可選用的材料有:Pb (Mg1/3Nb2/3)03-PbTi03 (PMN-PT)^BiFeO3(BFO)、BaTiO3 (BTO )、PbTiO3 (PTO)、SrTiO3 (STO)、SrZrO3、SrTiZrO3、Pr0.7Ca0.3Mn03、BiMnO3、HoMnO3、InMnO3和YCrO3等鐵電材料，厚度為0.5~10nm。[0076]磁性層(也稱中間磁性層)，可選用矯頑力比較小的軟磁性材料(通常不大于.1000A/m)，如電工純鐵、Fe-Si 合金、N1-Fe 合金、Co-Fe (如 Ni81Fe19、Co75Fe25)合金和 Fe-Al合金等，厚度為2~lOOnm。
[0077]非磁性金屬層,可選用Cu、Ag、Cr、Au等金屬材料,厚度為2~10nm。
[0078]磁性層，可選用的材料有:過渡金屬材料Fe、Co、N1、及其合金Co_Fe、Co-Fe-B,N1-Fe-Cr> N1-Fe (如 Ni81Fe19^ Co75Fe25)等；稀磁半導(dǎo)體材料 GaMnAs、GaMnN 等；半金屬材料 Co-Mn-S1、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si, Co-Mn-Al, Co-Fe-Al-Si, Co-Mn-Ge, Co-Mn-Ga,Co-Mn-Ge-Ga、La1^xSrxMnO3> LahCaxMnO3 (其中 0〈χ〈1)等，厚度為 2~lOOnm。
[0079]釘扎層，可選用Pt-Μη、Ir-Mn、Fe-Mn、N1-Mn等反鐵磁性材料,厚度為5~50nm。
[0080]其中電極1、2可選用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金的金屬導(dǎo)電材料。
[0081]此時(shí)通過外加電場(chǎng)依然可以控制鐵電/多鐵層中電極化強(qiáng)度的方向。當(dāng)中間磁性層(靠近鐵電/多鐵層，即夾在鐵電/多鐵層和勢(shì)壘層之間的磁性層)與釘扎磁性層(靠近釘扎層)磁化強(qiáng)度的方向相反時(shí)，電子通過中間磁性層時(shí)會(huì)受到很強(qiáng)的散射，此時(shí)的電流較??；同理當(dāng)中間磁性層的磁化強(qiáng)度方向與兩端釘扎磁性層磁化強(qiáng)度方向相同時(shí)，電子較易隧穿中間磁性層，此時(shí)通過的電流較大，具有性統(tǒng)晶體管的開關(guān)和放大特性。
[0082]在以上示意的實(shí)施例1至4中，多層膜結(jié)構(gòu)中的每層被制成為矩形或方形，但實(shí)際上，這些示出的多層膜結(jié)構(gòu)(實(shí)施例1至4)在水平方向上的截面可以被做成納米圓盤、納米橢圓盤、納米環(huán)和納米橢圓環(huán)的形狀。更有選為圓環(huán)狀，因?yàn)榇判詫油ㄟ^納米加工的方法做成圓環(huán)狀，磁矩在環(huán)中形成閉合狀，不僅可以消除磁場(chǎng)，而且封閉的磁疇不會(huì)產(chǎn)生雜散磁場(chǎng)，相鄰的器件單元間不會(huì)產(chǎn)生耦合干擾，有利于進(jìn)一步的高密度集成。另外研究發(fā)現(xiàn)環(huán)狀結(jié)構(gòu)的隧道結(jié)具有更高的熱穩(wěn)定性。因此從應(yīng)用高密度集成的角度來看，將上述實(shí)施例中的核心多層膜結(jié)構(gòu)通過納米加工的方法做成環(huán)狀結(jié)構(gòu)是非常有利的。
[0083]綜上所述，本發(fā)明的基于多鐵/鐵電材料利用電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的自旋晶體管器件可采用共振隧穿方式工作，該共振隧穿模式可在外電場(chǎng)下通過多鐵性材料或鐵電性材料調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)晶體管的開關(guān)和放大特性。該自旋晶體管也可采用電場(chǎng)調(diào)節(jié)磁化強(qiáng)度的方式工作，該電場(chǎng)調(diào)節(jié)磁化強(qiáng)度通過多鐵材料或鐵電性材料的磁電耦合特性來調(diào)控磁性層材料的磁化強(qiáng)度方向，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)晶體管的開關(guān)和放大特性。上述兩種基于多鐵材料或鐵電性材料的新型的自旋晶體管與傳統(tǒng)的自旋晶體管相比，自由層磁矩方向的改變不需要外加磁場(chǎng)的調(diào)控、處理速度快。該自旋晶體管與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體晶體管相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有利于集成和加工等特性。
[0084]盡管參照上述的實(shí)施例已對(duì)本發(fā)明做出具體描述，但是對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，應(yīng)該理解可以基于本發(fā)明公開的內(nèi)容進(jìn)行修改或改進(jìn)，并且這些修改和改進(jìn)都在本發(fā)明的精神以及范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種自旋晶體管，該自旋晶體管具有多層膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，該多層膜結(jié)構(gòu)以多鐵或鐵電材料作為勢(shì)壘層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋晶體管，其特征在于，所述多層膜結(jié)構(gòu)具有由多鐵或鐵電材料制成的至少一層勢(shì)壘層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋晶體管，其特征在于，所述多層膜結(jié)構(gòu)具有由多鐵或鐵電材料制成的兩層勢(shì)壘層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自旋晶體管，所述多層膜結(jié)構(gòu)自下而上地包括:襯底、下釘扎層、下磁性層、下鐵電或多鐵層、非磁性金屬層、上鐵電或多鐵層、上磁性層、上釘扎層。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自旋晶體管，所述多層膜結(jié)構(gòu)自下而上地包括:襯底、下釘扎層、下磁性層、下鐵電或多鐵層、中間磁性層、上鐵電或多鐵層、上磁性層、上釘扎層。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自旋晶體管，所述多層膜結(jié)構(gòu)自下而上地包括:襯底、下釘扎層、下磁性層、下鐵電或多鐵層、中間磁性層、勢(shì)壘層、上磁性層、上釘扎層。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自旋晶體管，所述多層膜結(jié)構(gòu)自下而上地包括:襯底、下釘扎層、下磁性層、下鐵電或多鐵層、中間磁性層、非磁性金屬層、上磁性層、上釘扎層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋晶體管，其特征在于，多鐵材料為具有鐵電性、鐵磁性和鐵彈性中的至少兩種性質(zhì)的材料，鐵電材料為沒有外加電場(chǎng)下，整體呈現(xiàn)固有電偶極矩的材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋晶體管，其特征在于，所述鐵電或多鐵材料選用Pb (Mgl73Nb273) O3-PbTiO3 (PMN-PT)、BiFeO3 (BFO)、BaTiO3 (BTO)、PbTiO3 (PTO)、SrTiO3 (STO)、SrZrO3> SrTiZrO3> Pr0 7Ca0.3Mn03> BiMn03、HoMnO3> InMnO3 或 YCrO3，上鐵電或多鐵層、下鐵電或多鐵層的厚度均為0.5~10n`m。
10.根據(jù)權(quán)利要求4或7所述的自旋晶體管，其特征在于，其中非磁性金屬層選用Cr、Au、Ag、Cu 或 CuN,厚度為 0.5~10nm。
11.根據(jù)權(quán)利要求4至7之一所述的自旋晶體管，其特征在于，上、下磁性層選用過渡金屬材料 Fe、Co、Ni 或其合金 Co-Fe、Co-Fe-B、N1-Fe-Cr、N1-Fe ;或者半金屬材料 Co-Mn-S1、Co-Fe-Alλ Co-Fe-SiΛ Co-Mn-AlΛ Co-Fe-Al-SiΛ Co-Mn-GeΛ Co_Mn_Ga、Co-Mn-Ge-GaΛLa1^SrxMnO3或La^CaxMnO3，其中0〈χ〈1 ;或者稀磁半導(dǎo)體材料GaMnAs或GaMnN ;層的厚度為2~IOOnm0
12.根據(jù)權(quán)利要求5至7之一所述的自旋晶體管，其特征在于，中間磁性層選用矯頑力不大于ΙΟΟΟΑ/m的軟磁性材料，厚度為2~lOOnm。
13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的自旋晶體管，其特征在于，勢(shì)壘層選用Al-0、Mg0、MghZnxO (其中 0〈x〈l)、AIN、Ta2O5' MgAl2O4' ZnO、SiMg2O4' SiO2, HfO2, TiO2, Alq3、LB 有機(jī)復(fù)合薄膜、GaAs、AlGaAs或InAs制成。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋晶體管，其特征在于，所述多層膜結(jié)構(gòu)被做成橫截面為納米圓盤、納米橢圓盤、納米圓環(huán)和納米橢圓環(huán)的形狀。
【文檔編號(hào)】H01L29/66GK103515426SQ201210211089
【公開日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月20日
【發(fā)明者】陶玲玲, 劉東屏, 劉厚方, 韓秀峰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所