本发明专利技术提出一种自旋场效应晶体管及其磁性存储器，包括：栅极、源极和漏极；被设置用于在所述源极和漏极之间形成导电沟道的半导体层；和位于所述半导体层与所述栅极之间的栅极介质层；其中该栅极介质层包括第一、第二和第三部分，其中所述第一、第三部分在横向上被所述第二部分间隔开，并且所述第一部分和第三部分由铁磁性绝缘材料制成，所述第二部分由非磁性绝缘材料制成，所述第一部分和第三部分的矫顽力不同。以本发明专利技术的自旋场效应晶体管作为存储单元的磁性存储器具有数据非易失性、读写快速、存储单元结构简单、低功耗和抗辐射等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于自旋磁学领域，尤其涉及一种自旋场效应晶体管，以及基于该自旋场效应晶体管的存储单元及其磁性存储器。
技术介绍
众所周知，在纳米磁性多层膜和磁性隧道结(MTJ)中观测到的巨磁电阻效应 (Giant Magneto-resistance, GMR)禾口隧穿磁电阻效应(TunnelingMagneto-resistance, TMR)已被广泛地应用于计算机磁读头和磁敏传感器等领域，而其中MTJ的另外一个极其重要的应用就是可以作为磁随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory, MRAM)的最佳存储单元。目前，人们提出的MRAM结构基本上是将磁性隧道结(MTJ)和金属-氧化物-半导体(M0Q场效应晶体管集成在一起形成存储单元，但MOS场效应晶体管不具备存储功能，因此当与诸如静态随机存储器的外部装置配合进行存储时，该存储为易失性的，断电后数据则消失。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种具有存储功能的自旋场效应晶体管以及基于此种晶体管的磁性存储单元。另外，本专利技术的还提供一种基于这种存储单元的磁性存储器。本专利技术的上述目的是通过以下技术方案实现的根据本专利技术的一方面，提供一种自旋场效应晶体管，包括栅极、源极和漏极；被设置用于在所述源极和漏极之间形成导电沟道的半导体层；和位于所述半导体层与所述栅极之间的栅极介质层；其中，该栅极介质层包括第一、第二和第三部分，其中所述第一、第三部分在横向上被所述第二部分间隔开，并且所述第一部分和第三部分由铁磁性绝缘材料制成，所述第二部分由非磁性绝缘材料制成，所述第一部分和第三部分的矫顽力不同。在上述自旋场效应晶体管中，所述第一部分和第三部分由不同铁磁性绝缘材料制成。在上述自旋场效应晶体管中，所述第一部分和第三部分由同一铁磁性绝缘材料制成，但具有不同体积。在上述自旋场效应晶体管中，所述第一部分和第三部分的宽度相同，厚度比在 1 2 1 5之间；或厚度相同，宽度比在1 2 1 5之间。在上述自旋场效应晶体管中，所述半导体层为N型半导体、P型半导体或石墨烯， 其中当栅极所加电压大于晶体管开启电压时，在栅极介质层和半导体层的界面处形成导电沟道。在上述自旋场效应晶体管中，当采用N型半导体或石墨烯时，所形成的导电沟道为可自旋极化的二维电子气。在上述自旋场效应晶体管中，当采用P型半导体时，所形成的导电沟道为可自旋极化的二维空穴气。根据本专利技术的另一方面，提供一种磁性存储单元，其中，该磁性存储单元包括以上所述的自旋场效应晶体管。在上述磁性存储单元中，所述存储单元采用单位线结构或双位线结构。在上述磁性存储单元中，所述单位线结构包括字线和位线，其中所述字线为所述自旋场效应晶体管的栅极，所述位线与所述字线相互垂直。在上述磁性存储单元中，所述双位线结构包括字线、读位线和写位线，其中所述字线为所述自旋场效应晶体管的栅极，所述读位线和写位线相互平行且被间隔开，该读、写位线均与所述字线相互垂直。根据本专利技术的再一方面，提供一种磁性存储器，其中包括以上所述的磁性存储单元。与现有技术相比，本专利技术的优点在于1.自旋场效应晶体管具有存储功能；2.基于该自旋场效应管的磁随机存取存储器具有非易失性；结构更加简单，非常有利于提高存储器的密度。附图说明以下，结合附图来详细说明本专利技术的实施例，其中图Ia是根据本专利技术实施例的基于P型半导体的自旋场效应晶体管的结构图；图Ib是根据本专利技术实施例的基于P型半导体的自旋场效应晶体管处于开启状态 (Vg > Vg(th))的结构图；图加和2b为图1的自旋场效应晶体管分别在写入低阻态“0”和高阻态“1”时的结构原理示意图；图3是本专利技术自旋场效应晶体管中的二维电子气自旋极化的物理原理示意图；图4是根据本专利技术实施例的基于N型半导体的自旋场效应晶体管处于开启状态 (Vg > Vg(th))的结构图；图如和恥为图4的自旋场效应晶体管分别在写入低阻态“0”和高阻态“1”时的结构原理示意图；图6是根据本专利技术实施例的石墨烯自旋场效应晶体管处于开启状态(Vg > Vg(th)) 的结构图；图7a和7b为图6的自旋场效应晶体管分别在写入低阻态“0”和高阻态“ 1”时的结构原理示意图；图8A和8B分别是本专利技术实施例的基于自旋场效应晶体管的单位线存储单元的横向剖面图和沿图8A中线A-A的纵向剖面图；图8C是本专利技术实施例的基于自旋场效应晶体管的单位线存储单元在位线2c以下部分的俯视图9A和9B分别是本专利技术实施例的基于自旋场效应晶体管的双位线存储单元的横向剖面图和沿图9A中线B-B的纵向剖面图；图9C是本专利技术实施例的基于自旋场效应晶体管的双位线存储单元在读位线2c和写位线2d以下部分的的俯视图。具体实施例方式以下参照具体的实施例来说明本专利技术。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本专利技术的目的，其不以任何方式限制本专利技术的范围。基于P型半导体的自旋场效应晶体管图Ia是根据本专利技术实施例的基于P型半导体的自旋场效应晶体管处于未加电压时的结构图。从图中可以看出，整个自旋场效应晶体管类似于传统MOS晶体管的结构。图中“P”区为半导体P型掺杂区，在“P”区上制备出两个高掺杂浓度的N型掺杂区，分别形成源极和漏极。在该源极和漏极之间的“P”区的表面上覆盖一层绝缘材料(该绝缘层也称为栅极介质层)，然后在该绝缘层表面用金属铝引出一个栅电极(简称栅极或门极)。从图中可以看出，栅极介质层包括三个部分a、b、c，其中a部分和c部分由同一铁磁性绝缘材料制成(下文将其称为铁磁性绝缘体a、c)，二者厚度相同，例如在2nm IOOnm之间，但a部分的宽度大于c部分的宽度，例如宽度比在1 2 1 5之间，以使a、c部分具有不同大小的矫顽力Hci和Hc2 (这里定义Hc2 > Hci)。位于a、c部分之间的b部分由传统非磁性绝缘材料制成。所述铁磁性绝缘材料的例子包括但不限于EuS，EuO, MgCVxCx, MgCVxNx，Mg1^xGdxO, Mgl_xFex0, Mgl_xCox0，Mgl_xNix0，CdCr2S4, CdCr2Se4, ,Ga1^xMnxAs, Cd1^xMnxTe, Zn1^xMnxSe, CrB3, CrB3, YTiO3, SeCuO3, SeCuO3, K2Cr8O16, La2MnNiO6, La2MnNiO2, La0 7Pb0 3MnO3, Nd0 8Pb0 2MnO3, Nd0.7Pb0.3Mn03, Nd0.5Ca0.5Mn0.97Co0.0303，La2MnNiO6, La0.825Ca0.175Mn03, Nd0.5Sr0.4Pb0. iMn0. Zn0.92Co0.05Mn0.030, Gd 等，其中 0 < χ < 1。上述自旋场效应晶体管的工作原理为当栅极加正电压Vg > 0时，自旋场效应晶体管处于关闭状态；当栅极加正电压Vg > Vth (开启电压)时，在栅极绝缘层和P型硅衬底界面处形成二维电子气导电沟道，自旋场效应晶体管处于开启状态。图Ib是根据本专利技术实施例的基于P型半导体的自旋场效应晶体管处于开启状态(Vg >Vg(th))的结构图。图加和2b为图1的自旋场效本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种自旋场效应晶体管，包括：栅极、源极和漏极；被设置用于在所述源极和漏极之间形成导电沟道的半导体层；和位于所述半导体层与所述栅极之间的栅极介质层；其特征在于，该栅极介质层包括第一、第二和第三部分，其中所述第一、第三部分在横向上被所述第二部分间隔开，并且所述第一部分和第三部分由铁磁性绝缘材料制成，所述第二部分由非磁性绝缘材料制成，所述第一部分和第三部分的矫顽力不同。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：韩秀峰，于国强，王文秀，骆军，张晓光，
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
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