一种自旋晶体管制造技术

本发明专利技术公开了一种全金属性ＰＮＰ、ＮＰＮ型自旋晶体管器件。该自旋晶体管是多层膜结构的，它包括发射极层、基极层和集电极层，还包括形成在所述发射极层和基极层之间的第一铁电体层，形成在所述基极层和所述集电极层之间的第二铁电体层，所述发射极层、基极层和集电极层采用金属性或半金属性材料。本发明专利技术克服了已有的自旋晶体管器件不易于操控、放大倍率低的不足，而且本发明专利技术是一种稳定工作于室温环境、具有抗辐射性的完全基于ＰＮ结工作原理的自旋晶体管。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种与自旋有关的固态开关及放大器件，更具体地涉及全金属性或半金属性的pnp、 npn型自旋晶体管器件。技术背景以半导体pn结为基础的pnp、 npn型晶体管是半导体集成电路中的基本元 件，在半导体电子工业中有着广泛的应用。常见的半导体材料，其本征晶体导 电性很弱，而通过引入不同价态的杂质元素使得半导体材料成为以电子为主要 载流子的n型半导体或以空穴为主要载流子的p型半导体。将合适的p型和n 型半导体结合在一起，p型半导体和n型半导体之间的载流子由于存在电子浓 度差而相互扩散，导致界面附近形成以内建电场形式存在的自由载流子耗尽 层。内电场的建立将会阻碍半导体中的多数载流子的扩散，在外加偏压电场与 内电场方向相同时，将进一步阻碍多子的扩散，pn结呈现高电阻态；而外加 偏压电场与内电场方向相反时，内电场将被削弱或抵消，有利于多子的扩散， 此时pn结呈现低阻态。以此为基础，在pnp型晶体管(集电极、基极、发射极) 中，电子由基极进入，在电压的作用下流向发射极，其原理与pn结相同，形 成基极电流。与此同时，在集电极和发射极间加电压，由于基极存在导通电流， 电子处于非平衡态，且基极区很薄(几个微米至几十个微米)，基极区中的非 平衡态电子可以扰乱集电极与基极间的空间电荷区，使这个pn结中的电子顺 势流动，形成了电流的通路。由于集电极区空穴密度比基极区多上百倍，绝大 部分电子由此通过，所以其电流比基极电流大得多，而且是随基极电流成比例 增大，这样就形成了晶体管的放大效应。npn型晶体管的工作原理与此类似。已知的自旋晶体管器件，比如在1993年Johnson的文献1 M. Johnson, Science 260(1993)320中提出了一个由铁磁性金属发射极、 一个厚度小于自 旋扩散长度的非磁性金属基极和另一个铁磁性金属集电极组成的铁磁性金 属/非磁性金属/铁磁性金属三明治全金属自旋晶体管，但该结构不具有可加工性；因为非磁性金属层如果要小于自旋扩散长度，就必须小于100纳米，且 该结构为水平加工模式，要在小于100纳米的层上再覆盖一个栅极是非常困难 的，此外，由于不能一次性成膜，非磁性金属层的晶体生长结构无法控制，因 此会导致生产器件的不稳定。再比如IBM实验组提出了单势垒磁性隧道结自旋 晶体管，其结构为金属(发射极)/氧化铝/铁磁性金属(基极)/半导体材 料(集电极)；然而，由于基极与集电极之间的肖特基势使得此类晶体管存在 以下缺点(1)缺乏对基极一集电极间工作电压的有效控制；(2)在发射极 一基极间的电压较小时，存在较大的漏电电流；(3)集电极导通电流过小，导 致放大倍率不足。再比如2002年S.Yuasa的文献2 S. Yuasa， Science 297(2002)234中公开了在单势垒磁性隧道结中发现了自旋极化共振隧穿现 象，可以利用双势垒隧道结的共振隧穿效应制作共振隧穿自旋晶体管。该方法 虽可以克服上述现有技术中的问题，但由于所依赖工作的量子化能级取决于双 势垒隧道结中间层的厚度、各界面的接触和工作温度，从而导致量子化能级非 常难于控制，且加工十分困难。鉴于现有技术的不足，就需要有一种新的自旋晶体管，希望这种自旋晶体 管易于操控并且放大倍率高，最好还能够稳定工作于室温环境、具有抗辐射性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服已有的自旋晶体管器件不易于操控、放大倍率低的 不足，从而提供一种易于操控、放大倍率高的自旋晶体管。为了实现上述目的，本专利技术提供一种自旋晶体管，包括发射极层、基极层 和集电极层；其特征是，还包括形成在所述发射极层和所述基极层之间的第一铁电体层，用于调节所述发射极层和所述基极层之间的空间电荷区的大小， 形成在所述基极层和所述集电极层之间的第二铁电体层，用于调节所述基极层 和所述集电极层之间的空间电荷区的大小，所述发射极层、所述基极层和所述 集电极层采用金属性或半金属性材料。由于本专利技术的自旋晶体管是完全基于PN结工作原理，所以易于操控；利 用铁电体层的绝缘层，调节金属性或半金属性材料间的空间电荷区的大小，有 效增强了其内建电场的强度，从而使本专利技术的自旋晶体管具有了普通半导体晶 体管的放大和整流特性；且自旋晶体管的导通和放大原理与半导体晶体管一致。进一步地，为了形成PNP型自旋晶体管，所述发射极层的材料为空穴型磁性金属性或半金属性材料，优选USrMnO等铁磁性的朽钛矿型锰氧化物材料、 Fe304或Cr02等，层厚度为5nm至1000nm;所述基极层的材料为电子型磁性金 属性材料，优选Fe、 Co、 Ni、稀土金属及Ni-Fe、 Co-Fe、 Co-Fe-B等磁性合 金材料或Heussler合金材料等，层厚度为3nm至100nm;所述集电极的材料 为空穴型磁性金属性或半金属性材料，优选LaSrMnO等铁磁性的钙钛矿型锰 氧化物材料、Fe'A或Cr02等，厚度为5nm至1000nm;所述第一铁电体层、 第二铁电体层的材料为铁电性绝缘体材料，优选铁电体绝缘材料ScTi03、 BaTi。3或PbTi03等，层厚度为5nm至100nm。进一步地，为了形成NPN型自旋晶体管，所述发射极层的组成材料为电子 型磁性金属性材料，优选Fe、 Co、 Ni、稀土金属及Ni-Fe、 Co-Fe、 Co-Fe-B 等磁性合金材料或Heussler合金等，层厚度为3rnn至100nm;所述基极层的 材料为空穴型磁性金属性或半金属性材料，优选LaSrMnO等铁磁性的钙钛矿 型锰氧化物材料、Fe304或Cr02等，层厚度为5nm至1000nm;所述集电极层 的材料为电子型磁性金属性材料，优选Fe、 Co、 Ni、稀土金属及Ni-Fe、 Co-Fe、 Co-Fe-B等磁性合金材料或Heussler合金等，层厚度为5nm至1000nm;所述 第一铁电体层、第二铁电体层的材料为铁电性绝缘体材料，优选铁电体绝缘材 料ScTi03、 BaTi03或PbTi。3等，层厚度为5nm至1000nm。进一步地，对于上述PNP型或者NPN型自旋晶体管，所述发射极层和所述 集电极层分别形成于所述基极层的两侧。进一步地，还可以是，对于上述PNP型或者NPN型自旋晶体管，所述发射 极层和所述集电极层形成于所述基极层的同一侧。进一步地，对于上述PNP型或者NPN型自旋晶体管，还包括分别形成在所 述发射极层、所述集电极层上的发射极钉扎层和集电极钉扎层，所述钉扎层的 材料为反铁磁性材料，优选Ir-Mn、 Fe-Mn、 Rh-Mn、 Pt-Mn或Pd-Mn等Mn的反 铁磁合金材料或CoO、 Ni0、 PtCr等反铁磁性材料，所述钉扎层厚度为10nm 至lOOnm;正如前面的技术方案所描述的，当所选用发射极层和集电极层具有 较大轿顽力时，即磁矩方向不易被外场所改变时，该发射极钉扎层和集电极钉 扎层可省略。进一步地，对于上述PNP型或者NPN型自旋晶体管，所述发射极层、基极层和集电极层的横截面为矩形、椭圆形或正六边形；或者，所述基极层和集电 极层的横截面具有镂空结构，所述镂空结构的横截面是矩形环、椭圆环或正六 边形环；或所述镂空结构的横截面是包含矩形镂空、椭圆形镂空或正六边形镂空的矩形、椭圆形或正六边形。进一步地，所述矩形环的内环的短边本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自旋晶体管，包括发射极层、基极层和集电极层；其特征是，还包括：形成在所述发射极层和所述基极层之间的第一铁电体层，用于调节所述发射极层和所述基极层之间的空间电荷区的大小，形成在所述基极层和所述集电极层之间的第二铁电体层，用于调节所述基极层和所述集电极层之间的空间电荷区的大小，所述发射极层、所述基极层和所述集电极层采用金属性或半金属性材料。

【技术特征摘要】
1、一种自旋晶体管，包括发射极层、基极层和集电极层；其特征是，还包括形成在所述发射极层和所述基极层之间的第一铁电体层，用于调节所述发射极层和所述基极层之间的空间电荷区的大小，形成在所述基极层和所述集电极层之间的第二铁电体层，用于调节所述基极层和所述集电极层之间的空间电荷区的大小，所述发射极层、所述基极层和所述集电极层采用金属性或半金属性材料。2、 根据权利要求l所述的自旋晶体管，其特征是，所述发射极层的材料 为空穴型磁性金属性或半金属性材料，厚度为5nm至1000nm;所述基极层的 材料为电子型磁性金属性材料，厚度为3nm至lOOmru所述集电极的材料为空 穴型磁性金属性或半金属性材料，厚度为5mn至1000腿；所述第一铁电体层、 第二铁电体层的材料为铁电性绝缘体材料，厚度为5 nm至lOOnm。3、 根据权利要求l所述的自旋晶体管，其特征是，所述发射极层的组成 材料为电子型磁性金属性材料，厚度为3nm至100nm;所述基极层的材料为空 穴型磁性金属性或半金属性材料，厚度为5mn至1000nm;所述集电极层的材 料为电子型磁性金属性材料，厚度为5 nm至lOOOnm;所述第一铁电体层、第 二铁电体层的组成材料为铁电性绝缘体材料，厚度为5 nm至1000nm。4、 根据权利要求2或3所述的自旋晶体管，其特征是，所述发射极层和 所述集电极层分别形成于所述基极层的两侧。5、 根据权利要求2或3所述的自旋晶体管，其特征是，所述发射极层和 所述集电极层形成于所述基极层的同 一侧。6、 根据权利要求2或3所述的自旋晶体管，其特征是，还包括分别形成 在所述发射极层、所述集电极层上的发射极钉...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘东屏，温振超，瑞哈娜，莎麦拉，韩秀峰，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]