專(zhuān)利名稱(chēng)：基于雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振隧穿效應(yīng)的晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固態(tài)開(kāi)關(guān)及放大器件，即晶體管，尤其是一種基于雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振隧穿效應(yīng)的自旋晶體管器件。
背景技術(shù)：
自1988年在磁性多層膜中發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)(GMR)以來(lái)，在物理和材料科學(xué)的研究和應(yīng)用取得了很大進(jìn)展。1993年Johnson[M.Johnson，Science 260(1993)320]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。圖1是這種全金屬自旋晶體管的示意圖。這種全金屬晶體管的速度可與半導(dǎo)體Si器件相比，但能耗低10-20倍，密度高約50倍，且耐輻射，具有記憶功能，可以組成未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的各種邏輯電路、處理器等。1997年Zhang[X.D.Zhang，Phys.Rev.B56(1997)5484]從理論上預(yù)言了在磁性雙勢(shì)壘隧道結(jié)中存在隧道磁電阻(TMR)振蕩現(xiàn)象，2002年S.Yuasa[S.Yuasa，Science 297(2002)234]在磁性隧道結(jié)中發(fā)現(xiàn)了自旋極化共振隧穿現(xiàn)象。利用雙勢(shì)壘隧道結(jié)的共振隧穿效應(yīng)制作的共振隧穿自旋晶體管，可用于電流放大器等。但目前尚未有基于雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振隧穿效應(yīng)的自旋晶體管器件。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振隧穿效應(yīng)的晶體管。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種基于雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振隧穿效應(yīng)的晶體管包括兩個(gè)隧道阻擋層，一個(gè)由鐵磁性材料或半金屬磁性材料組成的發(fā)射極，一個(gè)由鐵磁性材料、或半金屬磁性材料、或非磁性金屬材料、或半導(dǎo)體材料、或超導(dǎo)材料組成的基極，一個(gè)由鐵磁性材料或半金屬磁性材料或半導(dǎo)體材料組成的集電極；所述兩個(gè)隧道阻擋層分別在發(fā)射極、基極和集電極之間各構(gòu)成一個(gè)隧道阻擋層。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于采用這種結(jié)構(gòu)，基極電流為調(diào)制信號(hào)，通過(guò)它使集電極的磁化方向改變，從而使集電極的信號(hào)與基極電流的調(diào)制模式相似，即發(fā)生共振隧穿效應(yīng)，在合適的條件下，可得到放大的信號(hào)。由于這種共振隧穿自旋晶體管制作的電流放大器的頻帶寬度取決于集電極的磁化方向反轉(zhuǎn)速度，因而這樣的電流放大器可以以千兆赫的頻率變化。


圖1是基于“鐵磁性金屬/非磁性金屬/鐵磁性金屬”結(jié)構(gòu)的全金屬自旋晶體管。
圖2是本發(fā)明的基于雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振隧穿效應(yīng)的晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的基于雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振隧穿效應(yīng)的晶體管剖示圖。
圖4是第一實(shí)施例的雙勢(shì)壘隧道結(jié)電子共振隧穿的示意圖。
圖5是第二實(shí)施例的雙勢(shì)壘隧道結(jié)電子共振隧穿的示意圖。
圖6是第三實(shí)施例的雙勢(shì)壘隧道結(jié)電子共振隧穿的示意圖。
圖7是第四實(shí)施例的雙勢(shì)壘隧道結(jié)電子共振隧穿的示意圖。
圖8是改進(jìn)型的基于雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振隧穿效應(yīng)的晶體管結(jié)構(gòu)示意剖圖。
具體實(shí)施例方式如圖2所示的a和b，本發(fā)明包括第一隧道阻擋層I1和第二隧道阻擋層I2，一個(gè)由鐵磁性材料或半金屬磁性材料組成的發(fā)射極L1，一個(gè)由鐵磁性材料、或半金屬磁性材料、或非磁性金屬材料、或半導(dǎo)體材料、或超導(dǎo)材料組成的基極L2，一個(gè)由鐵磁性材料或半金屬磁性材料或半導(dǎo)體材料組成的集電極L3；第一隧道阻擋層I1位于發(fā)射極L1和基極L2之間，第二隧道阻擋層I2位于基極L2和集電極L3之間。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。附圖中，F(xiàn)M代表鐵磁性材料，NM代表非磁性金屬材料，SM代表半導(dǎo)體材料，HM代表半金屬磁性材料。
第一實(shí)施例如圖3所示，由二氧化硅(SiO2)或類(lèi)似材料制成的一個(gè)絕緣層2形成在一個(gè)硅基片1上；由磁性材料層制成的發(fā)射極3形成于絕緣層2上，該發(fā)射極3的磁化方向是固定的；第一隧道阻擋層(勢(shì)壘層)4形成于發(fā)射極3之上；并在第一隧道阻擋層4之上形成一個(gè)中間金屬層或半導(dǎo)體層，即基極5；一個(gè)形成于基極5之上的第二隧道阻擋層(勢(shì)壘層)6；一個(gè)由鐵磁性材料制成的集電極7形成于第二隧道阻擋層6之上，該集電極7的磁化方向是自由的，可隨外部磁場(chǎng)而發(fā)生改變；一個(gè)保護(hù)層8設(shè)置在集電極7上。
應(yīng)當(dāng)注意到，前述發(fā)射極3形成于一層反鐵磁性之上，以使該層磁性材料的磁化位置得以固定；磁性材料可由Fe、Co、Ni、稀土金屬及Ni-Fe、Co-Fe、Co-Fe-B等磁性合金材料制成，反鐵磁性層可由Ir、Fe、Rh、Pt或Pd與Mn的合金材料制成或其它反鐵磁性材料構(gòu)成，保護(hù)層可由Au、Pt或Ta等其它抗氧化金屬導(dǎo)電材料制成。而隧道阻擋層(勢(shì)壘層)則由Al2O3、MgO、ZnO、Ta2O5或AlN等多種金屬氧化物或金屬氮化物絕緣膜，該隧道阻擋層還可以由其他絕緣材料構(gòu)成。
在上述實(shí)施例中，應(yīng)當(dāng)注意到基極5的厚度應(yīng)當(dāng)與該層材料的電子平均自由程可比，這樣，當(dāng)電子從發(fā)射極3隧穿到集電極7時(shí)，由于電子在基極5中所受散射較弱而保持了電子的相位記憶。
以上構(gòu)成的雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振隧道效應(yīng)的晶體管按下述原理工作。
只要發(fā)射極3、基極5和集電極7被接地，發(fā)射極3、基極5、集電極7、第一隧道阻擋層4和第二隧道阻擋層6就假設(shè)為一種熱平衡狀態(tài)。圖4是第一實(shí)施例的雙勢(shì)壘隧道結(jié)電子共振隧穿的示意圖。該圖表示出了隧穿電子在發(fā)射極與集電極的磁化方向處于平行、反平行兩種狀態(tài)下的隧穿過(guò)程。在平行狀態(tài)時(shí)，發(fā)射極中自旋方向與集電極的磁化方向相同的多數(shù)隧穿電子能隧穿過(guò)勢(shì)壘和中間金屬層，而只有少數(shù)自旋方向相反的或被雜質(zhì)散射引起自旋方向發(fā)生變化的電子不能隧穿到集電極，此時(shí)，集電極有較大的電流通過(guò)；而在反平行狀態(tài)時(shí)，只有少數(shù)自旋方向與集電極的磁化方向相同的隧穿電子能隧穿到集電極，而多數(shù)自旋方向與集電極的磁化方向相反的隧穿電子不能隧穿到集電極，此時(shí)，集電極的有較小的電流通過(guò)。同時(shí)，由于發(fā)射極的磁化方向是固定的，而集電極的磁化方向是可以隨磁場(chǎng)發(fā)生改變的，因此可以通過(guò)改變集電極的磁化方向來(lái)改變集電極的電流大小。其形成過(guò)程如下，基極電流為調(diào)制信號(hào)，通過(guò)它使集電極的磁化方向改變從而使集電極的信號(hào)與基極電流的調(diào)制模式相似，即發(fā)生共振隧穿效應(yīng)，在合適的條件下，可得到放大的信號(hào)。由這種共振自旋晶體管制作的電流放大器的頻帶寬度取決于集電極的磁化方向反轉(zhuǎn)速度，因而這樣的電流放大器可以以千兆赫的頻率變化。
第二實(shí)施例在本實(shí)施例中，其晶體管的結(jié)構(gòu)示意剖圖與第一實(shí)施例相似。如圖3所示，由二氧化硅(SiO2)或類(lèi)似材料制成的一個(gè)絕緣層2形成在一個(gè)硅基片1上；由半金屬磁性材料層制成的發(fā)射極3形成于絕緣層2上，發(fā)射極3的磁化方向是固定的；一個(gè)第一隧道阻擋層(勢(shì)壘層)4形成于發(fā)射極3之上；并在第一隧道阻擋層4之上形成一個(gè)中間非磁性金屬層或半導(dǎo)體材料層，即基極5，基極5的厚度取決于所選材料，應(yīng)該與該材料的平均自由程長(zhǎng)度可比；一個(gè)形成于基極5之上的第二隧道阻擋層(勢(shì)壘層)6；一個(gè)由半金屬磁性材料制成的集電極7形成于第二隧道阻擋層6之上的，該層的磁化方向是自由的，可隨外部磁場(chǎng)發(fā)生改變；一個(gè)保護(hù)層8設(shè)置在集電極77上。
上述實(shí)施例中，基極5的材料與第一實(shí)施例相同，而半金屬磁性材料包括Fe3O4、CrO2、La0.7Sr0.3MnO3和Heussler合金等。
這種雙勢(shì)壘隧道結(jié)自旋晶體管的運(yùn)作類(lèi)似于第一實(shí)施例的原理。圖5是這種晶體管的雙勢(shì)壘隧道結(jié)電子共振隧穿的示意圖。該圖表示出了隧穿電子在發(fā)射極與集電極的磁化方向處于平行、反平行兩種狀態(tài)下的隧穿過(guò)程。該圖中，由于半金屬磁性材料具有幾乎100％的自旋極化率，當(dāng)發(fā)射極與集電極的磁化方向平行時(shí)，幾乎所有隧穿電子都隧穿到集電極，此時(shí)集電極有較大的電流通過(guò)。相反，當(dāng)處于兩極的磁化方向處于相反時(shí)，僅有很少的隧穿電子通過(guò)散射或其他作用隧穿到集電極，此時(shí)集電極有較小的電流通過(guò)。同第一實(shí)施例一樣，也可以通過(guò)改變基極的電流的方法使集電極的磁化方向發(fā)生改變，從而使隧穿電子在發(fā)射極和集電極間發(fā)生共振隧穿，在合適的條件下使集電極得到放大的電流。與第一實(shí)例相比，本實(shí)施例的放大效果更強(qiáng)。
第三實(shí)施例在第一實(shí)施例和第二實(shí)施例中，基極材料都使用了非磁性金屬材料或半導(dǎo)體材料，而如果把基極的材料替代為一般磁性材料或半金屬磁性材料，由于基極材料的具有自旋相關(guān)輸運(yùn)特性，更有利于通過(guò)它來(lái)調(diào)制集電極的磁化方向。有鑒于此，第三實(shí)施例提出一種基極材料為磁性材料的自旋晶體管器件。圖2中的b為其結(jié)構(gòu)示意圖。
本實(shí)施例晶體管的結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例相似。如圖3所示，由二氧化硅(SiO2)或類(lèi)似材料制成的一個(gè)絕緣層2形成在一個(gè)硅基片1上；由磁性材料層制成的發(fā)射極3形成于絕緣層2上，該磁性材料層的磁化方向是固定的；一個(gè)第一隧道阻擋層(勢(shì)壘層)4形成于發(fā)射極3之上；并在第一隧道阻擋層4之上形成的一個(gè)由鐵磁性材料制成的基極5，其磁化方向也是固定的，且與發(fā)射極3的磁化方向平行；一個(gè)形成于基極5之上的第二隧道阻擋層(勢(shì)壘層)6；一個(gè)由鐵磁性材料制成的集電極7形成于第二隧道阻擋層6之上，集電極7的磁化方向是自由的，可隨外部磁場(chǎng)而發(fā)生改變；一個(gè)保護(hù)層8設(shè)置在集電極7上。
這種雙勢(shì)壘隧道結(jié)自旋晶體管的運(yùn)作類(lèi)似于第一實(shí)施例的原理。圖6是這種晶體管的雙勢(shì)壘隧道結(jié)電子共振隧穿的示意圖。該圖中，與前面兩實(shí)例不同的是，由于基極材料是磁性材料，其輸運(yùn)特性與自旋相關(guān)。因此，當(dāng)發(fā)射極、基極和集電極的磁化方向處于平行狀態(tài)時(shí)，發(fā)射極中多數(shù)自旋子帶的電子將穿過(guò)第二鐵磁性層和兩個(gè)勢(shì)壘層進(jìn)入第三電極中的多數(shù)自旋子帶的空帶；而發(fā)射極中的少數(shù)自旋子帶由于與基極的磁化方向相反，將受到很強(qiáng)的散射作用而不能隧穿到集電極，盡管如此，此時(shí)，集電極的電流仍比較大；而當(dāng)集電極的磁化方向與基極的磁化方向相反時(shí)，雖然發(fā)射極中多數(shù)自旋子帶的電子能隧穿過(guò)第一隧道阻擋層，但由于與集電極的磁化方向相反而受到強(qiáng)烈的散射作用而停留在中間金屬層發(fā)生振蕩，僅有很少隧穿電子由于受到雜質(zhì)散射或其他作用通過(guò)第二隧道阻擋層而進(jìn)入集電極，此時(shí)集電極的電流較小。同前述實(shí)施例的原理一樣，也可以通過(guò)改變基極的電流的方法使集電極的磁化方向發(fā)生改變，從而使隧穿電子在發(fā)射極和集電極間發(fā)生共振隧穿，在合適的條件下使集電極得到放大的電流。
第四實(shí)施例在上述實(shí)施例中，發(fā)射極，基極和集電極的材料都使用鐵磁性材料，且發(fā)射極和基極的磁化方向是固定的，只有集電極的磁化方向是可隨磁場(chǎng)改變的。在本實(shí)施例中，提出一種用具有更高自旋極化率的半金屬材料替代了第三實(shí)施例中發(fā)射極、基極及集電極的鐵磁性材料的新型晶體管。
這種雙勢(shì)壘隧道結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)及運(yùn)作原理類(lèi)似于第三實(shí)施例。圖7是這種晶體管的雙勢(shì)壘隧道結(jié)電子共振隧穿的示意圖。該圖中，由于基極材料也是一般磁性材料或半金屬磁性材料，當(dāng)隧穿電子隧穿到基極時(shí)，勢(shì)必受到基極磁性材料的自旋相關(guān)作用。因此，當(dāng)發(fā)射極與集電極的磁化方向平行時(shí)，除了極少數(shù)隧穿電子由于受到較強(qiáng)散射作用而改變自旋相位外，絕大部分隧穿電子都會(huì)隧穿到集電極，此時(shí)集電極有較大的電流通過(guò)。相反，當(dāng)處于兩極的磁化方向處于相反時(shí)，有一少部分隧穿電子通過(guò)散射或其他作用而改變自旋方向隧穿到集電極，與實(shí)施例二的這種狀態(tài)相比，此時(shí)集電極的電流雖然較小，但仍大于實(shí)施例二集電極的隧穿電流。同上述實(shí)施例一樣，也可以通過(guò)改變基極的電流的方法使集電極的磁化方向發(fā)生改變，從而使隧穿電子在發(fā)射極和集電極問(wèn)發(fā)生共振隧穿，在合適的條件下使集電極得到放大的電流。與上述實(shí)施例相比，由于基極本身的輸運(yùn)特性與自旋相關(guān)而更有利于改變集電極的磁化方向，從而提高晶體管的放大頻帶寬度。
雖然已基于上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本發(fā)明并不局限于此。例如，下述修改是可行的。
在上述實(shí)施例中，在發(fā)射極和基極未設(shè)計(jì)懸掛電極和保護(hù)層，為了解決這個(gè)問(wèn)題，本發(fā)明提出一種改進(jìn)的雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振效應(yīng)的自旋晶體管，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。附圖中，與上述實(shí)施例中的晶體管的不同的是在發(fā)射極、基極和集電極增加了電極層9，以及在電極層9之上增加了一個(gè)保護(hù)層8。電極材料可由Cu，Pt，Au組成。而保護(hù)層8可由Au、Pt或Ta等其它抗氧化金屬導(dǎo)電材料制成。
在第三、四實(shí)施例中，可用半導(dǎo)體材料替代發(fā)射極的半金屬磁性材料或一般磁性材料。只需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行少許改動(dòng)即可使基極5的磁化方向是自由的，即可隨外部磁場(chǎng)而發(fā)生改變。
雖然已結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了充分的描述，但需要注意，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，各種改變和修改都是可能的。因此，除了這種改變和修改背離本發(fā)明的范疇之外，它們都應(yīng)被包括在本發(fā)明之中。
權(quán)利要求
1.一種基于雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振隧穿效應(yīng)的晶體管，具有一個(gè)發(fā)射極(L1)、一個(gè)基極(L2)和一個(gè)集電極(L3)，其特征在于，還包括第一隧道阻擋層(I1)和第二隧道阻擋層(I2)；第一隧道阻擋層(I1)位于發(fā)射極(L1)和基極(L2)之間，第二隧道阻擋層(I2)位于基極(L2)和集電極(L3)之間。
2.如權(quán)利要求1所述的基于雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振隧穿效應(yīng)的晶體管，其特征在于，所述的第一隧道阻擋層(I1)和第二隧道阻擋層(I2)由絕緣材料制成，包括金屬氧化物絕緣膜、或金屬氮化物絕緣膜、有機(jī)或無(wú)機(jī)材料絕緣膜、或類(lèi)金剛石薄膜、或EuS、或Ga2O3。
3.如權(quán)利要求2所述的基于雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振隧穿效應(yīng)的晶體管，其特征在于，所述金屬元素從能夠形成絕緣層的Al、Ta、Zr、Zn、Sn、Nb和Mg的金屬元素中選取。
4.如權(quán)利要求2所述的基于雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振隧穿效應(yīng)的晶體管，其特征在于，兩個(gè)隧道阻擋層的厚度可以不一樣。
5.如權(quán)利要求1所述的基于雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振隧穿效應(yīng)的晶體管，其特征在于，所述發(fā)射極(L1)由鐵磁性材料制成，包括3d過(guò)渡族磁性金屬或4f稀土金屬及其合金。
6.如權(quán)利要求1所述的基于雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振隧穿效應(yīng)的晶體管，其特征在于，所述發(fā)射極(L1)由半導(dǎo)體材料制成，包括Si、Ga、InGaAs、或InAs。
7.如權(quán)利要求1所述的基于雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振隧穿效應(yīng)的晶體管，其特征在于，所述發(fā)射極(L1)由半金屬磁性材料制成，包括Fe3O4、CrO2、La0.7Sr0.3MnO3或Heuseler合金。
8.如權(quán)利要求1至7任一所述的基于雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振隧穿效應(yīng)的晶體管，其特征在于，所述基極(L2)由鐵磁性材料制成，包括3d過(guò)渡族磁性金屬或4f稀土金屬及其合金。
9.如權(quán)利要求1至7所述的基于雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振隧穿效應(yīng)的晶體管，其特征在于，所述基極(L2)由半導(dǎo)體材料制成，包括Si、Ga、InGaAs或InAs。
10.如權(quán)利要求1至7所述的基于雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振隧穿效應(yīng)的晶體管，其特征在于，所述基極(L2)由半金屬磁性材料制成，包括Fe3O4、CrO2、La0.7Sr0.3MnO3或Heuseler合金。
11.如權(quán)利要求1至7所述的基于雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振隧穿效應(yīng)的晶體管，其特征在于，所述基極(L2)由非磁性金屬材料制成，包括Au、Cu、或Cr及其合金。
12.如權(quán)利要求1所述的基于雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振隧穿效應(yīng)的晶體管，其特征在于，所述集電極(L3)由鐵磁性材料制成，包括3d過(guò)渡族磁性金屬或4f稀土金屬及其合金。
13.如權(quán)利要求1所述的基于雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振隧穿效應(yīng)的晶體管，其特征在于，所述集電極(L3)由半導(dǎo)體材料制成，包括Si、Ga、InGaAs或InAs。
14.如權(quán)利要求1所述的基于雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振隧穿效應(yīng)的晶體管，其特征在于，所述集電極(L3)由半金屬磁性材料制成，包括Fe3O4、CrO2、La0.7Sr0.3MnO3或Heuseler合金。
15.如權(quán)利要求1所述的基于雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振隧穿效應(yīng)的晶體管，其特征在于，還包括一層或兩層反鐵磁性層，用于固定發(fā)射極或基極的磁化方向，該反鐵磁性層由Pt-Mn、Pd-Mn、Fe-Mn、Ir-Mn或Rh-Mn反鐵磁合金構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于雙勢(shì)壘隧道結(jié)共振隧穿效應(yīng)的晶體管，具有一個(gè)發(fā)射極(L1)、一個(gè)基極(L2)、一個(gè)集電極(L3)、第一隧道阻擋層(I1)和第二隧道阻擋層(I2)；第一隧道阻擋層(I1)位于發(fā)射極(L1)和基極(L2)之間，第二隧道阻擋層(I2)位于基極(L2)和集電極(L3)之間。采用這種結(jié)構(gòu)，基極電流為調(diào)制信號(hào)，通過(guò)它使集電極的磁化方向改變，從而使集電極的信號(hào)與基極電流的調(diào)制模式相似，即發(fā)生共振隧穿效應(yīng)，在合適的條件下，可得到放大的信號(hào)。由于這種共振隧穿自旋晶體管制作的電流放大器的頻帶寬度取決于集電極的磁化方向反轉(zhuǎn)速度，因而這樣的電流放大器可以以千兆赫的頻率變化。
文檔編號(hào)H01L29/70GK1606170SQ20041008001
公開(kāi)日2005年4月13日 申請(qǐng)日期2004年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月24日
發(fā)明者曾中明, 韓秀峰, 豐家峰, 王天興, 杜關(guān)祥, 李飛飛, 詹文山 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所