專利名稱：導(dǎo)電控制器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種導(dǎo)電控制器件。
背景技術(shù)：
新型的電子器件正在出現(xiàn)，在這些新型電子器件中載流子輸運(yùn)至少部分地由電荷載流子自旋來控制。這些所謂“自旋子”器件中最著名的實(shí)例包括基于巨磁電阻效應(yīng)(GMR)的自旋閥、以及磁性隧道結(jié)(MTJ)器件。通常，這些器件包含鐵磁性及非鐵磁性材料的交互層，所述非鐵磁性材料是金屬性的(在自旋閥的情況下)或者是絕緣的(在MTJ器件的情況下)。自旋子器件具有幾種應(yīng)用，包括磁場(chǎng)傳感器和磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)。S.A.Wolf等在Science，卷294，第1488到1495頁(2001)中的“SpintronicsA Spin-basedElectronics Vision for the Future”給出了基于自旋的電子器件及應(yīng)用的回顧。
在早期的自旋子器件中，鐵磁性材料通常包含金屬，諸如鐵(Fe)、鈷(Co)或者鎳(Ni)、或其合金。然而，某些更近來的自旋子器件采用鐵磁性半導(dǎo)體，諸如鎵錳砷化物(Ga，Mn)As，H.Ohno等在Science，卷281，第951到956頁(1998)中的“Making Nonmagnetic Semiconductors Ferromagnetic”中描述了這種鐵磁性半導(dǎo)體。
基于鐵磁性半導(dǎo)體的器件已經(jīng)顯示了強(qiáng)磁電阻效應(yīng)。
例如，PhysicAl Review Letters，卷91，p216602(2003)上由C.Ruster等發(fā)表的“Very Large Magnetoresistance in LaterAl Ferromagnetic(Ga，Mn)AsWires with Nanoconstrictions”中描述了一種呈現(xiàn)隧道磁電阻(TMR)的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)從在半絕緣GaAs上形成19nm厚的Ga0.976Mn0.024As層來構(gòu)造，通過蝕刻而橫向確定，以形成通過窄縮部分連接到兩邊中每一邊上的導(dǎo)線的島狀區(qū)域。
PhysicAl Review Letters，卷93，p117203(2004)上由C.Gould等發(fā)表的“Tunneling Anisotropic MagnetoresistanceA spin-vAlue like tunnelmagnetoresistance using a single magnetic layer”中描述了一種顯示類自旋閥效應(yīng)的器件。該器件包含一柱狀物，所述柱狀物由鋁氧化物(AlOx)隧道阻擋層上的鈦/金(Ti/Au)金屬接觸構(gòu)成，所述鋁氧化物隧道阻擋層置于于半絕緣GaAs上形成的70nm厚的Ga0.94Mn0.06As層上。這個(gè)實(shí)驗(yàn)性器件中的強(qiáng)各向異性滯后效應(yīng)可歸因于由在單個(gè)鐵磁性層中的強(qiáng)自旋軌道耦合所引起的隧道各向異性磁電阻(TAMR)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明設(shè)法提供一種導(dǎo)電控制器件，例如用在存儲(chǔ)器和/或邏輯電路中，或者用作磁性傳感器。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種導(dǎo)電控制器件，包含具有較高矯頑磁力的第一鐵磁性區(qū)域、具有較低矯頑磁力的第二鐵磁性區(qū)域、置于第一和第二鐵磁性區(qū)域之間、用于磁性地使第一及第二鐵磁性區(qū)域分開的結(jié)區(qū)域、以及用于向結(jié)區(qū)域施加電場(chǎng)以控制結(jié)區(qū)域內(nèi)電荷載流子濃度的柵極。
因而，所述柵極可用于耗盡或者累積結(jié)區(qū)域中的電荷載流子以形成隧道阻擋層或者導(dǎo)電通道，從而分別提供讀和寫狀態(tài)。
所述器件可包含具有高于第二鐵磁性區(qū)域的矯頑磁力的第三鐵磁性區(qū)域、置于第二和第三鐵磁性區(qū)域之間的另一個(gè)結(jié)區(qū)域、以及用于向另一個(gè)結(jié)區(qū)域施加電場(chǎng)以改變?cè)摻Y(jié)區(qū)域內(nèi)電荷載流子濃度的另一個(gè)柵極。
所述器件可包含另一個(gè)柵極，用于向第二鐵磁性區(qū)域施加電場(chǎng)。該另一個(gè)柵極可用于增加或減少第二鐵磁性區(qū)域中的電荷載流子濃度，從而改變它的諸如矯頑磁力之類的磁特性。
第一和第二鐵磁性區(qū)域可包含相同的材料，其可以是諸如(Ga，Mn)As之類的鐵磁性半導(dǎo)體。結(jié)區(qū)域也可包含相同的材料。所述第一和第二鐵磁性區(qū)域以及結(jié)區(qū)域可在一個(gè)層中形成。
第一鐵磁性區(qū)域可以是延伸的，具有縱軸。該縱軸可定位在沿著易磁化軸的方向上。
所述器件可配置為呈現(xiàn)隧道各向異性磁電阻(TAMR)效應(yīng)和/或隧道磁電阻(TMR)效應(yīng)。
可由實(shí)質(zhì)上配置在一個(gè)平面內(nèi)的一層或一層的一部分來提供第二鐵磁性區(qū)域。該層或者該層的一部分的厚度小于或等于10nm。第二鐵磁性區(qū)域具有朝向于該層或者該層的一部分的平面之外的易磁化軸和/或朝向于該層或?qū)拥囊徊糠值钠矫嬷畠?nèi)的易磁化軸。可由實(shí)質(zhì)上配置在該平面內(nèi)或另一個(gè)平面中的另一個(gè)層或該層的另一部分來提供第一鐵磁性區(qū)域。第一鐵磁性區(qū)域具有朝向于另一個(gè)層或另一個(gè)層的一部分的平面之內(nèi)的易磁化軸。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種器件，其包含導(dǎo)電區(qū)域、鐵磁性區(qū)域、用于連接導(dǎo)電區(qū)域和鐵磁性區(qū)域的結(jié)區(qū)域、以及用于向該結(jié)區(qū)域施加電場(chǎng)以控制該結(jié)區(qū)域內(nèi)電荷載流子濃度的柵極。
所述導(dǎo)電區(qū)域可包含非鐵磁性材料或半導(dǎo)體材料或非鐵磁性半導(dǎo)體材料。結(jié)區(qū)域可包含半導(dǎo)體材料。導(dǎo)電區(qū)域、結(jié)區(qū)域和/或鐵磁性區(qū)域可包含相同的材料。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種導(dǎo)電控制器件的存儲(chǔ)器陣列。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種制造導(dǎo)電控制器件的方法，所述方法包含提供具有較高矯頑磁力的第一鐵磁性區(qū)域，提供具有較低矯頑磁力的第二鐵磁性區(qū)域，提供置于第一和第二鐵磁性區(qū)域之間、用于磁性地使第一及第二鐵磁性區(qū)域分開的結(jié)區(qū)域；以及提供用于向結(jié)區(qū)域施加電場(chǎng)以控制結(jié)區(qū)域內(nèi)電荷載流子濃度的柵極。
提供結(jié)區(qū)域包含確定第一和第二結(jié)區(qū)域之間的窄縮部分。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種操作具有通道的導(dǎo)電控制器件的方法，所述導(dǎo)電控制器件包含具有較高矯頑磁力的第一鐵磁性區(qū)域、具有較低矯頑磁力的第二鐵磁性區(qū)域、置于第一和第二鐵磁性區(qū)域之間、用于磁性地將第一和第二鐵磁性區(qū)域分開的結(jié)區(qū)域；以及用于向該結(jié)區(qū)域施加電場(chǎng)以控制結(jié)區(qū)域內(nèi)電荷載流子濃度的柵極，所述方法包含向柵極施加第一偏壓以增加結(jié)區(qū)域中的電荷載流子濃度，以及驅(qū)動(dòng)第一電流脈沖通過該通道，所述電流脈沖具有大于第二鐵磁性區(qū)域的反向磁化的臨界值的第一電流幅值。
這具有如下的優(yōu)點(diǎn)，即無需反向第一鐵磁性區(qū)域的磁化即可選擇性地反向第二鐵磁性區(qū)域的磁化。
該方法可包含向所述柵極施加第二偏壓以減少結(jié)區(qū)域中的電荷載流子濃度，以及驅(qū)動(dòng)第二電流脈沖通過該通道，所述第二電流脈沖具有小于臨界值的第二電流幅值。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供一種操作具有通道的導(dǎo)電控制器件的方法，所述器件包含具有較高矯頑磁力的第一鐵磁性區(qū)域、具有較低矯頑磁力的第二鐵磁性區(qū)域、置于第一和第二鐵磁性區(qū)域之間、用于磁性地將所述第一和第二鐵磁性區(qū)域分開的結(jié)區(qū)域；以及用于向所述結(jié)區(qū)域施加電場(chǎng)以控制結(jié)區(qū)域內(nèi)電荷載流子濃度的柵極，所述方法包含向所述第一和第二鐵磁性區(qū)域施加磁場(chǎng)以反向第二鐵磁性區(qū)域的磁化，所述磁場(chǎng)大于第二鐵磁性區(qū)域的臨界磁場(chǎng)，但是小于第一鐵磁性區(qū)域的臨界磁場(chǎng)。
這具有如下的優(yōu)點(diǎn)，即無需反向第一鐵磁性區(qū)域的磁化即可選擇性地反向第二鐵磁性區(qū)域的磁化。
現(xiàn)在通過例子，參考附圖來描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中從與附圖一起進(jìn)行的本發(fā)明的實(shí)施例的以下描述中，本發(fā)明的其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)電控制器件的透視圖；圖2是圖1所示器件的平面圖；圖3是沿著線A-A’而獲得的圖2所示器件的橫截面；圖4是圖1所示器件中鐵磁性區(qū)域的磁化的示意圖；圖5是用于操作圖1所示器件的裝置的示意圖；圖6示例說明了在寫周期期間可以施加到圖1的器件的柵偏壓、電流脈沖和磁場(chǎng)；圖7示例說明了在讀周期期間可施加于圖1的器件的柵偏壓和電流脈沖；圖8A到8D顯示了制造圖1所示器件的方法；圖9是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)導(dǎo)電控制器件的平面圖；圖10是沿著線B-B’獲取的圖9所示器件的橫截面；圖11示例說明了用作邏輯門的圖1所示器件；圖12示例說明了在寫周期期間可以施加到圖1的器件的柵偏壓、電流脈沖和磁場(chǎng)；圖13示例說明了在讀周期期間可以施加到圖1的器件的柵偏壓和電流脈沖；圖14是用于圖11所示器件的真值表；圖15是根據(jù)本發(fā)明的存儲(chǔ)單元的示意圖；圖16示例說明了包括圖15所示存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)器陣列的一部分；圖17A和17B是分別沿著線C-C’和D-D’獲取的圖15所示存儲(chǔ)單元的橫截面；圖18是包括驅(qū)動(dòng)電路的存儲(chǔ)器陣列的示意圖；圖19示例說明了向圖18所示存儲(chǔ)器陣列中的存儲(chǔ)單元進(jìn)行寫入；以及圖20示例說明了讀取圖18所示存儲(chǔ)器陣列中的存儲(chǔ)單元。
具體實(shí)施例器件結(jié)構(gòu)參考圖1、2和3，根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)電控制器件1包含延伸的導(dǎo)電通道2以及第一、第二和第三柵極3、4、5。
通道2包含具有較高矯頑磁力的第一和第二鐵磁性區(qū)域6、7以及具有較低矯頑磁力的第三鐵磁性區(qū)域8。第三鐵磁性區(qū)域8通常置于第一和第二鐵磁性區(qū)域6、7之間，使得第一和第二鐵磁性區(qū)域6、7之間的導(dǎo)電經(jīng)由第三鐵磁性區(qū)域8而發(fā)生。因而，第一和第二固定區(qū)域6、7也用作源極和漏極區(qū)域。
第一、第二和第三鐵磁性區(qū)域6、7、8由相同的鐵磁性材料形成。然而，第一、第二和第三鐵磁性區(qū)域6、7、8可以由不同的鐵磁性材料形成，諸如鐵磁性金屬和鐵磁性半導(dǎo)體。鐵磁性半導(dǎo)體可包含一種其中摻雜磁性雜質(zhì)從而變成鐵磁性的半導(dǎo)體，并且所述磁性雜質(zhì)的摻雜濃度可以改變。此外，鐵磁性半導(dǎo)體可以摻雜其他的非磁性的雜質(zhì)。替代地，鐵磁性半導(dǎo)體可包含無須摻雜即可呈現(xiàn)鐵磁性的半導(dǎo)體，其可以摻雜磁性或非磁性的雜質(zhì)。
通道2包括第一和第二結(jié)區(qū)域9、10。在反向磁化可以以不同的磁場(chǎng)發(fā)生在第一和第三區(qū)域6、8中的意義上，第一結(jié)區(qū)域9磁性地分開第一鐵磁性區(qū)域6和第三鐵磁性區(qū)域8。同樣地，第二結(jié)區(qū)域10磁性地分開第二鐵磁性區(qū)域7和第三鐵磁性區(qū)域8。第一和第二結(jié)區(qū)域9、10包含半導(dǎo)體材料。第一和第二結(jié)區(qū)域9、10可由相同的材料形成，并且可由與一個(gè)或多個(gè)鐵磁性區(qū)域6、7、8相同的材料來形成。
鐵磁性區(qū)域和結(jié)區(qū)域6、7、8、9、10位于包含鐵磁性半導(dǎo)體的圖形化的鐵磁性層11中，在這個(gè)例子中所述鐵磁性半導(dǎo)體是具有錳含量x為0.02的鎵錳砷化物合金(Ga1-xMnxAs)，換句話說即Ga0.98Mn0.02As。然而，也可采用具有其他錳含量的鎵錳砷化物合金，例如可以使用x＝0.06。此外，可以使用用其他鐵磁性半導(dǎo)體，諸如(In，Mn)As、(Ga，Mn)P、(Ga，Mn)N或Ge1-yMny。在這個(gè)例子中，所述圖形化的鐵磁性層11具有10nm的厚度。然而，鐵磁性層11可以更薄，例如3nm或5nm，或者更厚。
利用鐵磁性半導(dǎo)體而不是鐵磁性金屬或合金可具有以下優(yōu)點(diǎn)，即柵極可用于向鐵磁性材料施加電場(chǎng)以改變電荷載流子的密度和/或分布，所述電荷載流子調(diào)節(jié)磁序而變更鐵磁性材料的磁特性。它還具有以下的優(yōu)點(diǎn)，即因?yàn)橛糜阼F磁性半導(dǎo)體中自旋扭矩(spin-torque)反向磁化的臨界電流密度通常比鐵磁性金屬中低兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)，所以降低了功率消耗。
圖形化的鐵磁性層11位于一個(gè)共同擴(kuò)展的絕緣層12上面，該絕緣體層12包含絕緣體，所述絕緣體在這個(gè)例子中是鋁砷化物(AlAs)?？梢圆捎闷渌^緣體。絕緣體可以是晶體的。絕緣體可以是與鐵磁性半導(dǎo)體晶格匹配的，或與鐵磁性半導(dǎo)體不匹配以產(chǎn)生有助于引起磁各向異性的應(yīng)力。鐵磁性層11和絕緣層12不需要是共同擴(kuò)展的。例如，絕緣層12可以更大。絕緣層12位于部分蝕刻的襯底13上面，所述襯底在這個(gè)例子中包含半絕緣砷化鎵(GaAs)?？梢圆捎闷渌r底，諸如硅。覆蓋層14(為了清楚在圖1中顯示為部分地去除)共同擴(kuò)展地位于圖形化的的鐵磁性層11上。在這個(gè)例子中，覆蓋層14包含AlAs。覆蓋層14和鐵磁性層11不需要是共同擴(kuò)展的。
特別參考圖2和3，由窄縮部分15、16來確定第三鐵磁性區(qū)域8以及第一和第二結(jié)區(qū)域9、10。窄縮部分15、16確定在第一側(cè)壁17與第二，相對(duì)的側(cè)壁18的第一和第二部分181、182之間。在平面圖上，每個(gè)側(cè)壁部分181、182提供朝向第一側(cè)壁17的向內(nèi)的凹口?？梢岳闷渌麄?cè)壁結(jié)構(gòu)，例如利用其他形狀的內(nèi)向彎曲和/或利用一對(duì)相對(duì)的內(nèi)向彎曲，來確定窄縮部分15、16。窄縮部分15、16可以是延伸的，例如由一個(gè)窄導(dǎo)電通道部分來提供。
可以以其他方式來確定結(jié)區(qū)域9、10并且不需要采用窄縮部分。例如，結(jié)區(qū)域9、10可包含不同的材料或具有不同摻雜濃度的材料。
第一和第二鐵磁性區(qū)域6、7通常是延伸的并且具有寬度W及長(zhǎng)度L，使得W＜L。寬度W可以小于或等于100nm以及可以小于或等于50nm。在這個(gè)例子中，W是50nm而L是200nm。
第三鐵磁性區(qū)域8可以是延伸的并且具有寬度w及長(zhǎng)度l。寬度w可以小于W。在這個(gè)例子中，w是40nm而l是60nm。
磁性形狀各向異性可用于相對(duì)于第一及第二鐵磁性區(qū)域6、7的矯頑磁力，降低第三鐵磁性區(qū)域8的矯頑磁力，特別是如果鐵磁性區(qū)域6、7、8包含相同的材料。因而，通過將第三鐵磁性區(qū)域8設(shè)置成具有與其它鐵磁性區(qū)域6、7相比不同的寬長(zhǎng)比，可將該第三鐵磁性區(qū)域8配置成具有較低的矯頑磁力。所述寬長(zhǎng)比定義為寬度與長(zhǎng)度的比值，即w/l以及W/L。因而，第三鐵磁性區(qū)域8可具有比第一和第二鐵磁性區(qū)域6、7更高的寬長(zhǎng)比。
每個(gè)窄縮部分15、16都具有小于w的寬度c。窄縮部分寬度c可以小于20nm。在這個(gè)例子中，窄縮部分寬度c是10nm。
窄縮部分15、16可具有不同的寬度。例如，第一窄縮部分15足夠窄以便為器件1提供一個(gè)隧道阻擋層以呈現(xiàn)隧道各向異性磁電阻(TAMR)，而第二窄縮部分16可以較寬，其足夠?qū)捯员悴惶峁┧淼雷钃鯇?，或反之亦然。因而，可以確定第三磁性區(qū)域8，但是只有一個(gè)窄縮部分15、16提供隧道阻擋層。
第一和第二柵極3、4分別控制第一和第二結(jié)區(qū)域9、10中的電荷載流子濃度以便在導(dǎo)電和絕緣狀態(tài)之間切換結(jié)區(qū)域9、10，最好是分別在歐姆狀態(tài)和隧道效應(yīng)狀態(tài)之間切換。
在這個(gè)例子中，第一和第二柵極3、4通常是與結(jié)區(qū)域9、10處于同一平面中并且與結(jié)區(qū)域9、10橫向地隔開，并且配置為接近于第一側(cè)壁17以便提供一種側(cè)選通結(jié)構(gòu)。因而，第一和第二柵極3、4將相應(yīng)的電場(chǎng)19、20穿過第一側(cè)壁17施加到第一和第二結(jié)區(qū)域9、10中。然而，可以采用其他選通結(jié)構(gòu)。例如，每個(gè)側(cè)柵極3、4可包含一對(duì)相對(duì)的側(cè)柵極，其往往被稱為“分柵”。每個(gè)柵極3、4可另外或替代地包含位于結(jié)區(qū)域9、10上面的頂部柵極和/或位于結(jié)區(qū)域9、10之下的底部柵極?？梢杂呻娊橘|(zhì)層(未顯示)把柵極3、4與結(jié)區(qū)域9、10分隔開。
在所述側(cè)選通結(jié)構(gòu)中第一和第二柵極3、4與第一和第二結(jié)區(qū)域9、10之間分別隔開間隔s。間隔s可以小于20nm、小于10nm或小于5nm。在這個(gè)例子中，間隔s是10nm。
在頂部柵極和/或側(cè)柵極結(jié)構(gòu)中，柵極3、4與結(jié)9、10之間的間隔可以由中間絕緣體(未顯示)的厚度來確定，所述中間絕緣體例如包含諸如二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)之類的非晶絕緣材料，或諸如(Ga，Mn)As的AlAs之類的絕緣結(jié)晶材料。中間絕緣體最好足夠厚以防止至少在典型柵壓時(shí)的隧道效應(yīng)或擊穿。絕緣體的厚度可以小于20nm并可以小于10nm。絕緣體的厚度可以小于6或5nm，但是高于2或3nm。
可以基于所施加電場(chǎng)19、20的幅值以及在柵極3、4與結(jié)9、10之間的間隙或隔離絕緣體(未顯示)的擊穿電場(chǎng)的幅值而選擇間隔。
第三柵極5設(shè)置為對(duì)第三鐵磁性區(qū)域8的側(cè)柵極以控制第三鐵磁性區(qū)域8中的電荷載流子密度并從而變更矯頑磁力。這可以有下列優(yōu)點(diǎn)，即它可以降低反向磁化所需的電流和/或磁場(chǎng)，從而降低功率消耗。它還可以有下列優(yōu)點(diǎn)，即它可在器件用作磁場(chǎng)傳感器時(shí)用于增加或降低器件的敏感性。
第三柵極5通常與第三鐵磁性區(qū)域8處于同一平面中并且與第三鐵磁性區(qū)域8橫向地隔開，并接近于第二側(cè)壁18而設(shè)置以便提供一種側(cè)選通結(jié)構(gòu)。因而，第三柵極5將電場(chǎng)21穿過第二側(cè)壁18施加到第三鐵磁性區(qū)域8中。然而，可以采用其他選通結(jié)構(gòu)。例如，第三柵極5可包含一對(duì)相對(duì)的側(cè)柵極。第三柵極5可另外或替代地包含位于自由區(qū)域8上的頂部柵極和/或位于第三鐵磁性區(qū)域8之下的底部柵極。頂部或底部柵極結(jié)構(gòu)可具有下列優(yōu)點(diǎn)，即能夠向電場(chǎng)暴露第三鐵磁性區(qū)域8的較大面積或體積，從而提供對(duì)鐵磁性區(qū)域8的磁特性的更大控制，諸如矯頑磁力。稍后更詳細(xì)地描述頂部柵極結(jié)構(gòu)。
在側(cè)選通結(jié)構(gòu)中，第三柵極5與第三鐵磁性區(qū)域8之間隔開了間隔s′。間隔s′可以小于20nm、小于10nm或小于5nm。在這個(gè)例子中，間隔s′是10nm。
在頂部柵極和/或側(cè)柵極結(jié)構(gòu)中，柵極5與第三鐵磁性區(qū)域8之間的間隔可由中間絕緣體(未顯示)的厚度來確定，所述中間絕緣體例如包含非晶的或晶體的絕緣材料，如上所述。絕緣體的厚可以小于20nm并可以小于10nm。絕緣體的厚可以小于6或5nm，但是高于2或3nm。
可基于所施加電場(chǎng)21的幅值以及在柵極5與第三鐵磁性區(qū)域8之間的間隙或間隔絕緣體(未顯示)的擊穿電場(chǎng)的幅值而選擇間隔。
柵極3、4、5位于圖形化的鐵磁性層11中，并且位于絕緣層12和襯底13之上，并且位于覆蓋層14之下。
可以采用非鐵磁性區(qū)域代替第一鐵磁性區(qū)域6，諸如非鐵磁性、半導(dǎo)體區(qū)域。可以忽略第二鐵磁性區(qū)域7，或者作為替代可以采用非鐵磁性區(qū)域。包含導(dǎo)電區(qū)域、鐵磁性區(qū)域、用于電學(xué)地耦合導(dǎo)電區(qū)域和鐵磁性區(qū)域的結(jié)區(qū)域以及用于控制結(jié)區(qū)域內(nèi)電荷載流子濃度的柵極的器件可用作磁性傳感器。磁化強(qiáng)度在這例子中，第一、第二和第三鐵磁性區(qū)域6、7、8是由(Ga，Mn)As形成的。(Ga，Mn)As中的鐵磁性作為巡回空穴和固定Mn離子之間的交換作用而出現(xiàn)。因而，改變電荷載流子的濃度可以改變器件1的磁特性，甚至可以抑制磁序。
鐵磁性區(qū)域6、7、8可以每個(gè)包含各自的單個(gè)磁疇。通過將區(qū)域6、7、8配置成具有小于給定尺寸的尺寸，典型地約為1到10μm的數(shù)量級(jí)，可將區(qū)域6、7、8設(shè)置為具有單個(gè)磁疇。
參考圖4，顯示了第一、第二和第三鐵磁性區(qū)域6、7、8及其相應(yīng)的磁化22、23、24的示意圖。
第一、第二和第三鐵磁性區(qū)域6、7、8在層11的平面中磁化，并且具有相應(yīng)的磁化22、23、24。然而，一個(gè)或多個(gè)鐵磁性區(qū)域6、7、8可以在層11的平面之外磁化，例如垂直于層11的平面。例如，第一和第二鐵磁性區(qū)域6、7可以在層11的平面中磁化，而第三鐵磁性區(qū)域8可以在層11的平面之外被磁化，或者反之亦然。
GaAs上所形成的(Ga，Mn)As薄膜由于晶格不匹配而受到壓縮應(yīng)力，并在低溫(在這種情況下，約4.2°K以下)下呈現(xiàn)雙軸各向異性，所述雙軸各向異性具有沿著[100]和
結(jié)晶方向的易磁化軸。因而，通常，每種沿著[100]、
、[-100]或[-010]結(jié)晶方向定位的磁化都具有相同的各向異性能。
然而，例如由于形狀或者應(yīng)力可以引入進(jìn)一步的各向異性，所述形狀或者應(yīng)力可以引起易磁化軸移動(dòng)和/或打破4重簡(jiǎn)并，從而使得沿著一個(gè)易磁化軸向的定位在能量方面優(yōu)選于另一個(gè)易磁化軸。
第三鐵磁性區(qū)域8沿著縱軸25延伸以便引入形狀各向異性。第一和第二鐵磁性區(qū)域6、7也可以沿著軸25延伸。在這個(gè)例子中，沿著[100]結(jié)晶方向26來定位縱軸25。然而，縱軸25也可以沿著
結(jié)晶方向27來定位。
在較高的接近于居里溫度(Curie temperature)的溫度時(shí)，GaAs上所形成的(Ga，As)Mn也呈現(xiàn)單軸各向異性，所述單軸各向異性具有沿著[110]結(jié)晶方向的易磁化軸。因而，縱軸25也可以沿著[110]結(jié)晶方向28來定位。
可將易磁化軸配置成朝向平面外的方向。GaMnAs中平面外的各向異性可通過在GaMnAs膜中引入拉伸應(yīng)力，例如通過在InGaAs上生長(zhǎng)GaMnAs膜，或通過降低GaAs上生長(zhǎng)的GaMnAs膜中的空穴濃度而獲得。因而，通過向使用第三柵極5對(duì)第三鐵磁性區(qū)域8施加電場(chǎng)，第三鐵磁性區(qū)域8選擇性地呈現(xiàn)出朝向平面外的磁各向異性，同時(shí)第一和第二鐵磁性區(qū)域6、7仍然呈現(xiàn)朝向平面內(nèi)的磁各向異性。這可以導(dǎo)致更大的TAMR效應(yīng)。
如果采用不同的鐵磁性材料，那么易磁化軸可能不同。
在這個(gè)例子中，易磁化軸處于層11的平面中。當(dāng)不施加外部磁場(chǎng)或者電流時(shí)，磁化22、23、24沿著易磁化軸26、27之一來定位。然而，如果以不同于磁化方向的方向來施加外部磁場(chǎng)，那么磁化22、23、24的方向可從一個(gè)易磁化軸26、27切換到另一個(gè)易磁化軸26、27。此外，如果施加足夠強(qiáng)的電流以影響自旋扭矩，那么磁化24的方向可從一個(gè)易磁化軸26、27切換到另一個(gè)易磁化軸26、27。
如圖4所示，當(dāng)磁化24對(duì)準(zhǔn)易磁化軸26、27之一時(shí)發(fā)生較高的電阻狀態(tài)。在這個(gè)例子中，當(dāng)磁化24沿著第一易磁化軸26，即沿著[100]結(jié)晶方向存在時(shí)，則發(fā)生比較低的電阻狀態(tài)，而當(dāng)磁化24沿著第二易磁化軸27即沿著
結(jié)晶方向存在時(shí)，則出現(xiàn)比較高的電阻狀態(tài)。
在這個(gè)例子中，器件的縱軸25對(duì)準(zhǔn)[100]結(jié)晶軸26。當(dāng)?shù)谌F磁性區(qū)域8的磁化24沿著平行于電流的[100]方向定位時(shí)，器件處于低電阻狀態(tài)。當(dāng)磁化強(qiáng)度沿著垂直于電流的
方向定位時(shí)，器件1處于高電阻狀態(tài)。
雖然器件1可以利用TAMR效應(yīng)，但是它不需要這樣做。作為替代，器件1可以利用其他效應(yīng)，諸如隧道磁電阻效應(yīng)(TMR)，其中器件電阻取決于第三鐵磁性區(qū)域8的磁化方向24相對(duì)于第一和第二鐵磁性區(qū)域6、7的磁化方向22、23的方向。
即使鐵磁性區(qū)域6、7、8由相同的材料組成，仍可例如通過選擇性地加工成形第三鐵磁性區(qū)域8以具有給定幾何形狀，在這個(gè)例子中通過較小的延伸，而將第三鐵磁性區(qū)域8配置成具有較低的矯頑磁力。另外或者替代地，可采用降低矯頑磁力的其他技術(shù)，例如通過由蝕刻使區(qū)域8變薄或者通過離子注入在自由區(qū)域8中引入損傷或者它們的組合。
因?yàn)榈谌F磁性區(qū)域8具有低于第一和第二區(qū)域6、7的矯頑磁力，所以它的磁化24的反向發(fā)生在低于另兩個(gè)鐵磁性區(qū)域6、7的磁化22、23的反向的臨界磁場(chǎng)。因而，可以施加這樣一個(gè)磁場(chǎng)，所述磁場(chǎng)高于第三鐵磁性區(qū)域8的臨界磁場(chǎng)，但是低于第一和第二鐵磁性區(qū)域6、7的臨界磁場(chǎng)。當(dāng)施加像這種的電場(chǎng)時(shí)，可以切換第三鐵磁性區(qū)域8的磁化24，同時(shí)第一和第二鐵磁性區(qū)域6、7的磁化22、23保持定向在相同的各自的方向上。可以這樣利用這種行為，在正常操作期間，第一和第二鐵磁性區(qū)域6、7提供具有固定方向磁化22、23的區(qū)域，而第三鐵磁性區(qū)域8提供具有可以反轉(zhuǎn)方向的磁化24的區(qū)域。因而，第一和第二鐵磁性區(qū)域6、7每個(gè)均可稱為“固定”或“釘住”區(qū)域，而第三鐵磁性區(qū)域8可以認(rèn)為是“自由”區(qū)域。為了方便起見，第一和第二鐵磁性區(qū)域6、7以下簡(jiǎn)稱為第一和第二固定區(qū)域6、7，而第三區(qū)域8以下簡(jiǎn)稱為自由區(qū)域8。
如上所述，如果施加足夠強(qiáng)的電流，那么磁化24的方向可從一個(gè)易磁化軸26、27切換到另一個(gè)易磁化軸26、27。這可能是因?yàn)榇女牨谏系淖孕ぞ貏?dòng)作，它將引起所述壁穿過自由區(qū)域8。
第一和第二固定區(qū)域6、7的磁化22、23定位在相同的方向上。這可以通過施加一個(gè)高于第一和第二固定區(qū)域6、7的臨界磁場(chǎng)的磁場(chǎng)而實(shí)現(xiàn)。
與傳統(tǒng)的自旋子器件相比，器件1具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
例如，傳統(tǒng)的自旋子器件通常采取包含復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)的垂直堆疊的形式，其中各層具有固定功能。然而，器件1可以認(rèn)為是較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，其中器件1的不同部分具有不同功能并且可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，結(jié)區(qū)域9、10可以起隧道阻擋層的作用，提供疇壁釘住和/或作為疇壁的晶核形成區(qū)域?？梢愿淖兊谌F磁性區(qū)域8的磁特性，諸如磁各向異性和矯頑磁力。
器件工作參考圖5，用于操作導(dǎo)電控制器件1的裝置29包括用于驅(qū)動(dòng)電流脈沖I穿過通道2的電流源30和可選擇的串聯(lián)電阻器31，用于分別向第一、第二和第三側(cè)柵極3、4、5施加第一、第二和第三柵壓VG1、VG2、VG3的第一、第二和第三電壓源32、33、34，用于測(cè)量第一和第二固定區(qū)域6、7之間的電壓降VSD，從而確定器件1是否處于高或低電阻性狀態(tài)的電壓計(jì)35。
也可以提供用于產(chǎn)生磁場(chǎng)Bext的源36。源36可以包含電感器(未顯示)，諸如導(dǎo)線、回路或線圈，以及用于驅(qū)動(dòng)電流穿過電感器的源極(未顯示)。電感器(未顯示)可置于接近于器件1(圖1)的襯底13(圖1)上。
器件1可用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和/或感測(cè)磁場(chǎng)。
現(xiàn)在參考圖5到7描述向器件1寫數(shù)據(jù)和從器件1中讀數(shù)據(jù)的流程。
冷卻器件1到鐵磁性材料的居里溫度Tc以下。在這個(gè)例子中，Ga0.98Mn0.02As的居里溫度約48°K，并且器件冷卻到4.2°K。其他鐵磁性材料可能具有較高的居里溫度，因此基于這些材料的器件可以在較高的溫度中工作。
特別參考圖6，在寫流程中，第一和第二電壓電源32、33可以每個(gè)向第一和第二柵極3、4施加偏壓37、38，即VG1＝VG2＝-V1，以便增加結(jié)區(qū)域9、10中的電荷載流子濃度，從而降低結(jié)區(qū)域9、10的電阻以便它們導(dǎo)電，最好是象歐姆導(dǎo)體那樣。結(jié)9、10足夠的導(dǎo)電以呈現(xiàn)電流引起的磁化反向。
在這個(gè)例子中，|VG1|和|VG2|為1V的數(shù)量級(jí)。然而，這些可以通過常規(guī)實(shí)驗(yàn)得到。
在(Ga，Mn)As中，電荷載流子輸運(yùn)是空穴為主的。因而，將負(fù)偏壓施加到第一和第二柵極3、4以增加結(jié)區(qū)域9、10中的電荷載流子濃度。然而，如果使用其中電荷載流子輸運(yùn)是電子為主的鐵磁性半導(dǎo)體，那么將正偏壓施加到柵極3、4。
第三電壓源34可向第三柵極5施加偏壓39，即VG3＝V2，從而減小鐵磁性島狀區(qū)域8上的電荷載流子濃度，從而降低矯頑磁力。
在這個(gè)例子中，|VG3|為1V的數(shù)量級(jí)。然而，這些可以通過常規(guī)實(shí)驗(yàn)得到。
電源30驅(qū)動(dòng)具有幅值IC的電流脈沖40，即ISD＝IC，所述幅值IC高于鐵磁性島狀區(qū)域8的臨界電流。電流脈沖或者加強(qiáng)現(xiàn)有的磁化24(圖4)或者例如通過將磁化轉(zhuǎn)90°而將磁化24反向(圖4)。通過選擇電流脈沖的極性可以獲得磁化24的給定方向。電流脈沖40具有持續(xù)時(shí)間Δt1。持續(xù)時(shí)間Δt1可能小于或等于100ns、10ns或1ns。在這個(gè)例子中，持續(xù)時(shí)間Δt1是100ps。
對(duì)于鐵磁性金屬，典型臨界電流密度約為107Acm-2，而對(duì)于鐵磁性半導(dǎo)體，典型臨界電流濃度約為104Acm-2或105Acm-2。然而，通過常規(guī)實(shí)驗(yàn)可以得到反向磁化所需的電流脈沖40的幅值和最小持續(xù)時(shí)間，例如通過以逐漸增高的電流密度和/或更短的持續(xù)時(shí)間驅(qū)動(dòng)電流脈沖并測(cè)量電阻。
磁場(chǎng)源36可以施加磁場(chǎng)脈沖41以協(xié)助電流脈沖40。然而，磁場(chǎng)源36可以施加恒磁場(chǎng)以偏置自由區(qū)域8。因而，具有較低幅值的電流脈沖40可用于反向磁化。磁場(chǎng)源36可以是電感源或永磁體。
特別參考圖7，在讀流程中，第一和第二電壓電源32、33可以每個(gè)向第一和第二柵極3、4施加偏壓42、43，即VG1＝VG2＝V3，從而耗盡結(jié)區(qū)域9、10中的電荷載流子，最好是形成隧道阻擋層。形成至少一個(gè)隧道阻擋層具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即器件1可以采用具有高磁電阻的TAMR效應(yīng)。在這個(gè)例子中，因?yàn)檩斶\(yùn)是空穴為主的，所以施加正偏壓以降低結(jié)區(qū)域9、10中的電荷載流子濃度。
在這個(gè)例子中，V3為1V的數(shù)量級(jí)。然而，通過常規(guī)實(shí)驗(yàn)可以得到耗盡結(jié)區(qū)域9、10中電荷載流子所需的偏壓，例如通過增加?xùn)牌珘翰⑶覝y(cè)量源漏特性。
第三電壓源34或者向第三柵極5施加零偏壓44，即VG3＝0，或者讓第三柵極5浮動(dòng)。
電流源30驅(qū)動(dòng)具有幅值IP的測(cè)量或探測(cè)電流脈沖45，即ISD＝IP＜IC，其比鐵磁性島狀區(qū)域8的臨界電流更低。電流脈沖40具有持續(xù)時(shí)間Δt2。探測(cè)脈沖可以比寫脈沖更長(zhǎng)，就是說Δt2＞Δt1；可以是近似相同的持續(xù)時(shí)間，即Δt2≈Δt1；或者可以比寫脈沖更短，即Δt2＜Δt1。持續(xù)時(shí)間取決于器件1的RC值和/或電壓計(jì)36的靈敏性。持續(xù)時(shí)間Δt2可以小于等于100ns、10ns或1ns。在這個(gè)例子中，持續(xù)時(shí)間Δt2是1ns。
可以使IP的幅值盡可能低，同時(shí)仍然使得可以進(jìn)行電壓測(cè)量?？梢酝ㄟ^常規(guī)試驗(yàn)確定IP的值。
隨著驅(qū)動(dòng)探測(cè)電流脈沖45穿過器件1，穿過器件1而形成的電壓降由電壓計(jì)35來測(cè)量的。
如果器件1處于高電阻狀態(tài)，那么將測(cè)量對(duì)應(yīng)于較高電壓降的較大脈沖46H。如果器件1處于低電阻狀態(tài)，那么將測(cè)量對(duì)應(yīng)于較低電壓降的較小脈沖46L。
器件制造現(xiàn)在參考圖8A到8D描述制造器件1的方法。
參考圖8A，使用半絕緣(001)晶向的GaAs的晶片作為襯底13’，并且載入分子束外延(MBE)系統(tǒng)(未顯示)。
由MBE以傳統(tǒng)方式在襯底13’上形成未摻雜AlAs層12’。AlAs層12’厚度為10nm。然而AlAs層12’可能更薄，例如5nm，或者它可以更厚，例如在20和50nm之間。
通過低溫MBE在AlAs層12’上形成Ga0.98Mn0.02As層11’，例如由R.Campion等在JournAl of CrystAl Growth，volume 247，p42(1303)所描述的。Ga0.98Mn0.02As層11’厚度為10nm。然而，Ga0.98Mn0.02As層11’可以更薄，例如3nm或5nm，或者可以更厚?？梢砸岳鏿-型摻雜劑摻雜Ga0.98Mn0.02As層11’，諸如鈹(Beryllium，Be)。
如前面所闡明的，可以采用其他鐵磁性材料。尤其，可以采用其他鐵磁性半導(dǎo)體。
AlAs層12’有助于電學(xué)地從襯底13’隔離Ga0.98Mn0.02As層11’，并且有助于向Ga0.98Mn0.02As層11’提供明確的下部界面47。
通過MBE在Ga0.98Mn0.02As層11’上形成AlAs層14’。覆蓋層的厚度是5nm。覆蓋層14’有助于限制Ga0.98Mn0.02As層11’的氧化以及有助于向Ga0.98Mn0.02As層11’提供明確的上部界面48。
利用調(diào)制摻雜可增加Ga0.98Mn0.02As層11’內(nèi)的載流子濃度。例如，可以例如用p型摻雜劑摻雜絕緣AlAs層12’或者覆蓋層14’，所述p型摻雜劑諸如Be。另外地或者替代地，可以在緊接在鐵磁性半導(dǎo)體之下或緊接在鐵磁性半導(dǎo)體之上提供包含例如GaAs、AlGaAs或者AlAs的附加層(未顯示)，摻雜所述鐵磁性半導(dǎo)體以增加電荷載流子濃度。
包含襯底13’并且具有疊加了淀積的層11’、12’、14’的晶片從反應(yīng)器(未顯示)中取出并且處理。這可能包括將晶片分割成較小的芯片。
可利用光刻和濕蝕刻以一種公知的方式來確定用于電學(xué)上隔離晶片(或者芯片)的不同區(qū)域的臺(tái)式結(jié)構(gòu)(未顯示)以及用于電學(xué)上將器件1連接到焊盤區(qū)域(未顯示)的引線(未顯示)?？梢栽诟綦x區(qū)中制造器件，如現(xiàn)在將描述的參考圖8B，將聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)形式的電子束光阻(未顯示)施加到覆蓋層14’的上表面49上。將晶片(或者芯片)載入到電子束光刻系統(tǒng)(未顯示)中來曝光。圖形包含圖2所示圖形的負(fù)像。
從電子束光刻系統(tǒng)(未顯示)中取出晶片(或者芯片)，并且利用水和基于異丙醇(IPA)的顯影劑將晶片(或者芯片)顯影以去除光阻的曝光區(qū)域(未顯示)并留下圖形化的光阻層50作為蝕刻掩模。
參考圖8C，將晶片(或者芯片)放在活性離子蝕刻(RIE)系統(tǒng)(未顯示)中。利用各向異性四氯化硅(SiCl4)蝕刻51將層11’、13’、14’的未掩蔽部分51、52干法蝕刻掉。在這個(gè)例子中，蝕刻51延伸到襯底13’中?？梢圆捎弥T如Cl2之類的其他RIE蝕刻。可以采用諸如離子束研磨之類的其他干蝕刻法。另外地或者替代地，可以采用濕蝕刻。
從RIE系統(tǒng)(未顯示)中取出所述晶片(或者芯片)，以及利用丙酮除去所述圖形化的光阻層50。圖8D顯示了對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)。
其他的處理步驟可包括向自由區(qū)域8(圖2)中引入損傷。這可以包括在電子束光阻層(未顯示)中的自由區(qū)域8(圖2)上打開一個(gè)窗口(未顯示)以及用離子束來全范圍地掃描器件1(圖1)。替代地，所述處理包含用離子束(未顯示)選擇性地掃描自由區(qū)域8(圖2)。
鐵磁性材料的居里溫度可以通過退火來提高，例如由Edmond等在PhysicAl Review Letters，92，p.037201(2004)所描述的那樣。
如上所述，在某些實(shí)施例中，可采用非鐵磁性區(qū)域代替第一鐵磁性區(qū)域6。
可以這樣來制造包含導(dǎo)電區(qū)域和鐵磁性區(qū)域的器件，即通過淀積第一層材料，諸如鐵磁性半導(dǎo)體材料，圖形化第一層，例如形成第三鐵磁性區(qū)域，然后淀積第二層材料，例如非鐵磁性半導(dǎo)體材料，其可覆蓋圖形化的的第一層上，并且圖形化第二層，例如形成非鐵磁性區(qū)域。由第一和第二材料之間的至少一個(gè)界面區(qū)域來提供結(jié)區(qū)域。
可以這樣來制造包含導(dǎo)電區(qū)域和鐵磁性區(qū)域的器件，即通過淀積一個(gè)材料層并且選擇性地注入雜質(zhì)以形成給定類型的區(qū)域。例如，制造方法可以包含淀積一層非鐵磁性材料，諸如GaAs，并且選擇性地注入磁性摻雜劑，諸如Mn，以形成第三鐵磁性區(qū)域。替代地，制造方法包含淀積一層鐵磁性材料，諸如(Ga，Mn)As，并且選擇性地注入摻雜劑，諸如Si，以損傷鐵磁性區(qū)域和/或以提供補(bǔ)償?shù)陌雽?dǎo)體，從而在第一鐵磁性區(qū)域的位置形成非鐵磁性區(qū)域。由注入和未注入?yún)^(qū)域之間的至少一個(gè)界面區(qū)域來提供結(jié)區(qū)域。
替換柵極結(jié)構(gòu)參考圖9和10，除了側(cè)柵極5(圖1)由頂部柵極5’來替代之外，改進(jìn)器件1’類似于在前描述的器件1(圖1)，所述頂部柵極5’在自由區(qū)域8上位于覆蓋層14之上。頂部柵極5’包含非鐵磁性導(dǎo)體，諸如金屬或者半導(dǎo)體。
在這個(gè)例子中，頂部柵極5’從所蝕刻的襯底13延長(zhǎng)到覆蓋層14上。在淀積非鐵磁性導(dǎo)體5’之前淀積額外的絕緣層54，以便在導(dǎo)體5’延伸到側(cè)壁部分183上時(shí)將鐵磁性區(qū)域8與導(dǎo)體5’隔離。然而，可以在側(cè)壁部分183上提供單獨(dú)的側(cè)絕緣層(未顯示)。從而，可以忽略所述附加絕緣層54。可以采用其他選通結(jié)構(gòu)。例如，可以采用下底部柵極。
邏輯門在傳統(tǒng)的微處理器中，邏輯門通常不存儲(chǔ)它們已經(jīng)輸出的數(shù)據(jù)。因而，一旦一個(gè)邏輯門或一組邏輯門已經(jīng)執(zhí)行邏輯運(yùn)算并提供輸出，則輸出通常保存在單獨(dú)的存儲(chǔ)器中。存儲(chǔ)輸出的額外步驟阻礙了計(jì)算性能。
相反，器件1不僅可以作為邏輯門工作，還可以存儲(chǔ)運(yùn)算輸出，無需在單獨(dú)的存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)輸出。
參考圖11，按照具有輸入端A、B和T以及輸出VR的邏輯門來呈現(xiàn)圖4所示的器件1。
輸入端A可操作地連接到第三柵極5并控制磁化反向。輸入端B可操作地連接到電阻31，以驅(qū)動(dòng)寫或讀電流脈沖穿過電阻31和器件1。輸入端T可操作地連接到第一和第二柵極3、4，以設(shè)置器件1來寫入或讀取。在器件1和電阻31之間取得輸出VR。
在這個(gè)例子中，輸入端A、B、T由源30、32、33、34(圖5)來提供。然而，也可以由其他邏輯門(未顯示)或控制元件(未顯示)來提供輸入端。
參考圖12，為了將器件1切換到“寫”狀態(tài)，施加輸入T＝0。這是通過向第一和第二柵極3、4提供VG1＝VG2＝-V1來實(shí)現(xiàn)的，如前面的描述。
通過分別向第三柵極5提供VG3＝V2或VG3＝-V2而施加輸入A＝0或A＝1。
以與前面所述相似的方式，通過不施加電流脈沖或施加具有幅值IC的雙脈沖通過器件1而施加輸入B＝0或B＝1。
參考圖13，為了將器件1切換到“讀”狀態(tài)，施加輸入T＝1。這是通過向第一和第二柵極2、3提供VG1＝VG2＝V1來實(shí)現(xiàn)的，如前面的描述。
通過施加具有幅值IP的電流脈沖通過器件1并且測(cè)量跨過器件的偏壓VR而讀取輸出VR，如前面所描述的。
參考圖14，顯示了用于器件1的真值表。
通過在寫入A和B并測(cè)量VR之前重置VR為“0”來實(shí)現(xiàn)邏輯“AND”。通過在寫入A和B并測(cè)量VR之前重置VR為“1”而實(shí)現(xiàn)邏輯“NAND”。通過寫入A＝1和B＝1而實(shí)現(xiàn)邏輯“CNOT”。
磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器陣列參考圖15，根據(jù)本發(fā)明的磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)單元55包含延伸的導(dǎo)電通道56和柵極57。除了作為組成部件的存儲(chǔ)單元55不需要具有第二固定區(qū)域7、第二結(jié)區(qū)域10、相應(yīng)的結(jié)柵極4和“矯頑磁力調(diào)節(jié)”柵極5之外，存儲(chǔ)單元55類似于在前描述的導(dǎo)電控制器件1。然而，如稍后將更詳細(xì)地描述的，可以以固定和自由區(qū)域的交錯(cuò)序列在一行中設(shè)置存儲(chǔ)單元55，其中相鄰的鐵磁性區(qū)域由中間結(jié)區(qū)域隔開。
通道56包含具有較高矯頑磁力和較低矯頑磁力的鐵磁性區(qū)域58、59。鐵磁性區(qū)域58、59由圖形化的層67(圖17A)中的相同的鐵磁性材料組成。然而，鐵磁性區(qū)域58、59可以由不同的鐵磁材料形成，諸如鐵磁性金屬和鐵磁性半導(dǎo)體。
通道56包括結(jié)區(qū)域60，所述結(jié)區(qū)域60磁性地分開鐵磁性區(qū)域58、59。
結(jié)區(qū)域60由第一側(cè)壁62和第二相對(duì)側(cè)壁63的一部分631之間的窄縮部分61來確定。從平面上看第二側(cè)壁部分631提供了朝向第一側(cè)壁24的向內(nèi)的凹口。
參考圖16，顯示了存儲(chǔ)器陣列64(圖17)的一部分64’。
存儲(chǔ)器陣列64’包括存儲(chǔ)單元55的陣列。每個(gè)存儲(chǔ)單元55具有6F2的單位單元尺寸，其中F是特征尺寸。每個(gè)單元55通過柵極線65和電流線66來尋址。
參考圖17A，鐵磁性區(qū)域和結(jié)區(qū)域58、59、60位于包含鐵磁性半導(dǎo)體的圖形化的鐵磁性層67中，在這個(gè)例子中所述鐵磁性半導(dǎo)體是具有錳濃度x為0.02的鎵錳砷化物合金(Ga1-xMnxAs)，即Ga0.98Mn0.02As。
圖形化的鐵磁性層67位于共同擴(kuò)展的包含絕緣體的絕緣層68之上，盡管可以采用其他絕緣體，在這個(gè)例子中絕緣體是砷化鋁(AlAs)。絕緣體可以與鐵磁性半導(dǎo)體晶格匹配或晶格不匹配。絕緣層68位于部分蝕刻的襯底69上，所述部分蝕刻的襯底69包含半絕緣砷化鎵(GaAs)。包含AlAs的覆蓋層70位于所述圖形化的鐵磁性層67之上。
電流線66包含諸如金屬或重?fù)诫s半導(dǎo)體之類的導(dǎo)體。電流線66可以是非鐵磁性的。如果電流線66包含金屬并且如果鐵磁性材料是半導(dǎo)體，那么電流線66也可以用作歐姆接觸。為了形成歐姆接觸處理可以包括退火。在這個(gè)例子中，電流線66包含作為到Ga0.98Mn0.02As的歐姆接觸的金/鋅(Au/Zn)合金以及疊加的金層(Au)。所述金/鋅層厚度為50nm而金的厚度是200nm。然而，可以采用其他的層厚度。
參考圖17B，柵極和電流線65、66借助于中間的絕緣層71而電學(xué)上隔離。中間絕緣層71可以是晶體的或非晶的。在這個(gè)例子中，絕緣層71包含二氧化硅(SiO2)。然而，可以采用其他的絕緣材料，諸如氮化硅(Si3N4)。在柵極線65之前淀積絕緣層71。
柵極線65包含諸如金屬或重?fù)诫s半導(dǎo)體之類的導(dǎo)體。柵極線65可以是非鐵磁性的。在這個(gè)例子中，柵極65包含鈦(Ti)粘附層和疊加的金(Au)層。鈦的厚度為20nm而金的厚度是200nm。然而，可以采用其他的層厚度。
可以不同于圖16、17A和17B所示的來配置存儲(chǔ)器陣列64。例如，可以在具有圖形化的鐵磁性層67的平面內(nèi)形成柵極線65，諸如可以按照與前面所描述的器件1相類似的方式，從與圖形化的鐵磁性層67相同的鐵磁性材料來形成所述柵極線65。特別是如果所述柵極線65是在圖形化的鐵磁性層67的平面內(nèi)形成的情況下，電流線66可以在柵極線65之上形成。如前面所描述的，可以采用表面或下面柵極結(jié)構(gòu)代替?zhèn)葨艠O結(jié)構(gòu)。
替代地，可以在鐵磁性層67之下形成所述電流線66，例如通過在絕緣層68上淀積導(dǎo)電層(未顯示)，將所述層(未顯示)圖形化為條狀(未顯示)，并在導(dǎo)電和絕緣材料的條紋上淀積鐵磁性層。然后圖形化鐵磁性層以形成圖形化的層67并且確定柵極線66?？梢栽谙嗤幕虿煌奶幚聿襟E進(jìn)行鐵磁性層的圖形化和柵極線的確定。
參考圖18，存儲(chǔ)器陣列64由行解碼器72和列解碼器73來控制。
行解碼器72從柵極線651、65i-1、65i、65i+1、65n中選擇出一條柵極線以從存儲(chǔ)單元551，1、551，j-2、551，j-1、551，j、551，j+1、551，j+2、551，m、55i-1，1、55i-1，j-2、55i-1，j-1、55i-1，j、55i-1，j+1、55i-1，j+2、55i-1，m、55i，1、55i，j-2、55i，j-1、55i，j、55i，j+1、55i，j+2、55i，m、55i+1，1、55i+1，j-2、55i+1，j-1、55i+1，j、55i+1，j+1、55i+1，j+2、55i-1，m、55n，1、55n，j-2、55n，j-1、55n，j、55n，j+1、55n，j+2、55n，m中尋址一行存儲(chǔ)單元，并且以偏壓VL、VM或VH施加選擇信號(hào)以選擇三個(gè)不同的通道導(dǎo)電模式。
具有偏壓VL的選擇信號(hào)增加結(jié)區(qū)域60中的電荷載流子濃度，因而降低結(jié)區(qū)域60的電阻使得它們導(dǎo)電，最好是作為歐姆電導(dǎo)。具有偏壓VM的選擇信號(hào)降低結(jié)區(qū)域60中的電荷載流子濃度使得結(jié)區(qū)域60耗盡。具有偏壓VH的選擇信號(hào)降低結(jié)區(qū)域60中的電荷載流子濃度使得結(jié)區(qū)域60強(qiáng)耗盡，即當(dāng)施加偏壓VH時(shí)的耗盡區(qū)比當(dāng)施加VM時(shí)的耗盡區(qū)更大。VM和VH是與VL是反極性的。如前面所闡述的，可以通過常規(guī)試驗(yàn)得到值。
列解碼器73可以從電流線661、662、66j-2.、66j-1、66j、66j+1、66j+2、66j+3、66m、66m+1中選擇一對(duì)相鄰的電流線來驅(qū)動(dòng)具有高于較低矯頑磁力鐵磁性區(qū)域59的臨界電流，但是低于較高矯頑磁力區(qū)域58的臨界電流的幅值|IH|的寫電流脈沖，或者具有低于較低矯頑磁力區(qū)域59的臨界電流的幅值|IM|的讀電流脈沖。根據(jù)寫電流脈沖的極性寫入“0”或“1”。
參考圖19，示例說明了寫處理期間的存儲(chǔ)器陣列64的部分64’。
將具有偏壓VL的寫選擇信號(hào)74施加到行i，即柵極線65i，同時(shí)將具有偏壓VH的保持信號(hào)75施加到其他行，包括柵極線65i-1、65i+1。因而，行i中的存儲(chǔ)單元55i，j-1、55i，j、55i，j+1的結(jié)60具有較低電阻，而其他行i-1、i+1中的存儲(chǔ)單元55i-1，j-1、55i-1，j、55i-1，j+1、55i+1，j-1、55i+1，j、55i+1，j+1的結(jié)60具有較高電阻。
驅(qū)動(dòng)寫電流脈沖76通過列j和j+1，即電流線66j、66j+1。電流脈沖76以足夠高的電流密度經(jīng)過存儲(chǔ)單元55i，j以設(shè)置磁化。由于這些器件中的結(jié)60處于高電阻狀態(tài)，所以同一列j中的其他存儲(chǔ)單元55i-1，j、55i+1，j不會(huì)被設(shè)置。如前面所闡述的，寫電流脈沖76的持續(xù)時(shí)間小于100ns、10ns或1ns。在這個(gè)例子中，持續(xù)時(shí)間大約1ns。
參考圖20，示例說明了讀流程期間的存儲(chǔ)器陣列64的部分64’。
將具有偏壓VM的讀選擇信號(hào)77施加到行i，即柵極線65i，同時(shí)仍然將具有偏壓VH的保持信號(hào)75施加于其他行，包括柵極線65i-1、65i+1。因而，行i中的存儲(chǔ)單元55i，j-1、55i，j、55i，j+1的結(jié)60具有低電阻，而其他行i-1、i+1中的存儲(chǔ)單元55i-1，j-1、55i-1，j、55i-1，j+1、55i+1，j-1、55i+1，j、55i+1，j+1的結(jié)60具有高電阻。
驅(qū)動(dòng)讀電流脈沖78通過列j和j+1，即電流線66j、66j+1。電流脈沖74以足夠高的電流密度通過存儲(chǔ)單元55i，j以設(shè)置磁化。由于這些器件中的結(jié)60處于高電阻狀態(tài)，所以同一列j中的其他存儲(chǔ)單元55i-1，j、55i+1，j不被設(shè)置。
由列解碼器73(圖18)測(cè)量電流線66j、66j+1兩端的產(chǎn)生的電壓Vs以確定該單元是否處于例如相應(yīng)于“0”的高電阻狀態(tài)或相應(yīng)于“1”的低電阻狀態(tài)。
應(yīng)當(dāng)理解的是，可對(duì)上文中所描述的實(shí)施例作出許多修改。所述器件不必是如前面所描述的橫向器件，而可以是垂直器件，諸如柱狀物。
所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該進(jìn)一步理解，雖然在本發(fā)明實(shí)施例上做出了上述描述，但是本發(fā)明不局限于此，在不脫離本發(fā)明的精神和附加權(quán)利要求范圍的情況下可作出各種改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種導(dǎo)電控制器件，包含具有較高矯頑磁力的第一鐵磁性區(qū)域；具有較低矯頑磁力的第二鐵磁性區(qū)域；置于第一和第二鐵磁性區(qū)域之間的結(jié)區(qū)域，用于磁性地分開所述第一和第二鐵磁性區(qū)域；以及柵極，用于向結(jié)區(qū)域施加電場(chǎng)以控制結(jié)區(qū)域內(nèi)的電荷載流子濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的所述的器件，包含第三鐵磁性區(qū)域，其具有高于第二鐵磁性區(qū)域的矯頑磁力；置于第二和第三鐵磁性區(qū)域之間的另一個(gè)結(jié)區(qū)域；以及另一個(gè)柵極，用于向另一個(gè)結(jié)區(qū)域施加電場(chǎng)以改變結(jié)區(qū)域內(nèi)的電荷載流子濃度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的器件，進(jìn)一步包含另一個(gè)柵極，用于向第二鐵磁性區(qū)域施加電場(chǎng)。
4.根據(jù)上面任何一個(gè)權(quán)利要求的所述的器件，其中第一和第二鐵磁性區(qū)域包含相同的材料。
5.根據(jù)上面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的器件，其中第一和第二鐵磁性區(qū)域和結(jié)區(qū)域包含相同的材料。
6.根據(jù)上面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的器件，其中第一和第二鐵磁性區(qū)域和結(jié)區(qū)域形成在一層中。
7.根據(jù)上面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的器件，其中第一和第二鐵磁性區(qū)域包含鐵磁性半導(dǎo)體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的器件，其中鐵磁性半導(dǎo)體包含(Ga，Mn)As。
9.根據(jù)上面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的器件，其中結(jié)區(qū)域包含半導(dǎo)體材料。
10.根據(jù)上面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的器件，其中第一鐵磁性區(qū)域是延伸的并具有縱軸。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的器件，其中所述縱軸定位在沿著易磁化軸的方向上。
12.根據(jù)上面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的器件，其中，器件配置為呈現(xiàn)隧道各向異性磁電阻(TAMR)效應(yīng)。
13.根據(jù)上面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的器件，其中，器件配置為呈現(xiàn)隧道磁電阻(TMR)效應(yīng)。
14.根據(jù)上面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的器件，其中由實(shí)質(zhì)上設(shè)置在一個(gè)平面中的一層或一層的一部分來提供第二鐵磁性區(qū)域。
15.根據(jù)上面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的器件，其中所述層或?qū)拥囊徊糠值暮穸刃∮诨虻扔?0nm。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的器件，其中第二鐵磁性區(qū)域具有朝向于層或?qū)拥囊徊糠值钠矫嬷獾囊状呕S。
17.根據(jù)權(quán)利要求14、15或16所述的器件，其中第二鐵磁性區(qū)域具有朝向?qū)踊驅(qū)拥囊徊糠值钠矫嬷畠?nèi)的易磁化軸。
18.根據(jù)權(quán)利要求14到17中任一個(gè)所述的器件，其中由實(shí)質(zhì)上配置在該平面或者另一個(gè)平面中的另一層或者該層的另一個(gè)部分來提供第一鐵磁性區(qū)域。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的器件，其中第一鐵磁性區(qū)域具有易磁化軸，該易磁化軸朝向于另一層或另一層的一部分的平面之內(nèi)。
20.一種器件，包括導(dǎo)電區(qū)域；鐵磁性區(qū)域；連接導(dǎo)電區(qū)域和鐵磁性區(qū)域的結(jié)區(qū)域；以及用于向結(jié)區(qū)域施加電場(chǎng)以控制結(jié)區(qū)域內(nèi)的電荷載流子濃度的柵極。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的器件，其中導(dǎo)電區(qū)域包含非鐵磁性材料。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或21所述的器件，其中導(dǎo)電區(qū)域包含半導(dǎo)體材料。
23.根據(jù)權(quán)利要求20或22所述的器件，其中導(dǎo)電區(qū)域包含半導(dǎo)體材料。
24.根據(jù)權(quán)利要求20到23中任一個(gè)所述的器件，其中，結(jié)區(qū)域包含半導(dǎo)體材料。
25.根據(jù)權(quán)利要求20到24中任一個(gè)所述的器件，其中導(dǎo)電區(qū)域和結(jié)區(qū)域包含相同的材料。
26.根據(jù)權(quán)利要求20到25中任一個(gè)所述的器件，其中鐵磁性區(qū)域和結(jié)區(qū)域包含相同的材料。
27.根據(jù)上面任一個(gè)權(quán)利要求所述的器件的存儲(chǔ)器陣列。
28.一種制造導(dǎo)電控制器件的方法，所述方法包含提供具有較高矯頑磁力的第一鐵磁性區(qū)域；提供具有較低矯頑磁力的第二鐵磁性區(qū)域；提供置于第一和第二鐵磁性區(qū)域之間的結(jié)區(qū)域，用于磁性地分開所述第一和第二鐵磁性區(qū)域；以及提供用于向結(jié)區(qū)域施加電場(chǎng)以控制結(jié)區(qū)域內(nèi)的電荷載流子濃度的柵極。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中提供結(jié)區(qū)域包含確定第一和第二結(jié)區(qū)域之間的窄縮部分。
30.一種操作具有通道的導(dǎo)電控制器件的方法，所述導(dǎo)電控制器件包含具有較高矯頑磁力的第一鐵磁性區(qū)域，具有較低矯頑磁力的第二鐵磁性區(qū)域，置于第一和第二鐵磁性區(qū)域之間、用于磁性地分開所述第一及第二鐵磁性區(qū)域的結(jié)區(qū)域；以及用于向結(jié)區(qū)域施加電場(chǎng)以控制結(jié)區(qū)域內(nèi)電荷載流子濃度的柵極，所述方法包含向柵極施加第一偏壓以增加結(jié)區(qū)域中的電荷載流子濃度；以及驅(qū)動(dòng)第一電流脈沖通過該通道，所述電流脈沖具有大于第二鐵磁性區(qū)域反向磁化的臨界值的第一電流幅值。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，包含向柵極施加第二偏壓以降低結(jié)區(qū)域中的電荷載流子濃度；以及驅(qū)動(dòng)第二電流脈沖通過通道，所述第二電流脈沖具有低于臨界值的第二電流幅值。
32.一種操作具有通道的導(dǎo)電控制器件的方法，所述導(dǎo)電控制器件包含具有較高矯頑磁力的第一鐵磁性區(qū)域，具有較低矯頑磁力的第二鐵磁性區(qū)域，置于第一和第二鐵磁性區(qū)域之間、用于磁性地分開所述第一及第二鐵磁性區(qū)域的結(jié)區(qū)域；以及用于向結(jié)區(qū)域施加電場(chǎng)以控制結(jié)區(qū)域內(nèi)電荷載流子濃度的柵極，所述方法包含向所述第一和第二鐵磁性區(qū)域施加磁場(chǎng)以反向第二磁性區(qū)域的磁化，而不反向第一鐵磁性區(qū)域的磁化，所述磁場(chǎng)高于第二鐵磁性區(qū)域的臨界磁場(chǎng)但是低于第一鐵磁性區(qū)域的臨界磁場(chǎng)。
全文摘要
一種導(dǎo)電控制器件，包含具有較高矯頑磁力的第一鐵磁性區(qū)域、具有較低矯頑磁力的第二鐵磁性區(qū)域以及置于第一和第二鐵磁性區(qū)域之間的結(jié)區(qū)域。該器件還包含柵極，用于向結(jié)區(qū)域施加電場(chǎng)以控制結(jié)區(qū)域內(nèi)的電荷載流子濃度。
文檔編號(hào)H01L29/66GK1855531SQ20061006617
公開日2006年11月1日 申請(qǐng)日期2006年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月24日
發(fā)明者耶爾格·馮德里西, 伊藤顯知 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所