專利名稱：自旋晶體管及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
示例實(shí)施方式涉及利用場效應(yīng)和磁場效應(yīng)的自旋晶體管。
背景技術(shù)：
當(dāng)半導(dǎo)體器件制造到納米級時(shí)，載流子遷移率的增大速率不能跟上半導(dǎo)體器件的 增大速率，盡管器件尺寸減小，但是對功率的要求不會減小。為了解決這些問題，已經(jīng)提出 利用電子自旋的技術(shù)。因而，自旋晶體管由于自旋極化的電子的移動而開啟，需要用于移動電子的功率 較小，開啟速度可以較快。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題示例實(shí)施例涉及一種自旋晶體管，其中通過控制溝道來控制注入的自旋極化電子 的通道。示例實(shí)施例涉及操作該自旋晶體管的方法。技術(shù)方案根據(jù)示例實(shí)施例，自旋晶體管可以包括溝道，由磁性材料形成且使具有特定方向 的自旋極化電子選擇性地通過；源極，由磁性材料形成；漏極；以及柵極電極，控制溝道的 磁化狀態(tài)以使從源極注入的自旋極化電子選擇性通過并進(jìn)入到溝道中。溝道可以利用由于施加到柵極電極的電壓而產(chǎn)生的電場來控制，從而控制從源極 注入的自旋極化電子的通過。自旋晶體管還可以包括使柵極電極與溝道電分離的絕緣材料。溝道可以通過利用由于流過柵極電極的電流而產(chǎn)生的磁場來控制，從而控制從源 極注入的自旋極化電子的通過。自旋晶體管還可以包括第二柵極電極，第二柵極電極與柵極電極電絕緣并垂直于 柵極電極。自旋晶體管還可以包括隧穿勢壘，該隧穿勢壘設(shè)置在從溝道與源極之間和溝道與 漏極之間選出的至少一個(gè)處。隧穿勢壘可以包括在溝道與源極之間的第一隧穿勢壘以及在溝道與漏極之間的
第二隧穿勢壘。源極可以包括設(shè)置在第一隧穿勢壘上的鐵磁層和設(shè)置在該鐵磁層上的金屬層。源極還可以包括形成在鐵磁層與金屬層之間的半鐵磁層。漏極可以包括設(shè)置在第二隧穿勢壘上的磁性層和設(shè)置在該磁性層上的金屬層。漏極的磁性層可以由鐵磁層形成。漏極還可以包括在鐵磁層和金屬層之間的半鐵磁層。隧穿勢壘可以由鎂氧化物或鋁氧化物形成。
溝道可以由鐵磁材料形成，例如半金屬。半金屬可以包括從由磁性氧化物、具有雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的磁性材料、磁性休斯勒 (Heusler)合金、磁性半休斯勒合金和具有半金屬特性的半導(dǎo)體組成的組中選出的至少一 種材料。溝道可以由通過用過渡金屬摻雜半導(dǎo)體以獲得磁特性而制備的稀磁半導(dǎo)體材料 形成。根據(jù)示例實(shí)施例，溝道、源極和漏極可以設(shè)置在同一平面上。根據(jù)示例實(shí)施例，第一隧穿勢壘可以與溝道上的第二隧穿勢壘分離，源極和漏極 可以分別設(shè)置在第一隧穿勢壘和第二隧穿勢壘上。根據(jù)示例實(shí)施例，源極、溝道和漏極可以設(shè)置為垂直于襯底。第一隧穿勢壘和第二隧穿勢壘可以彼此對應(yīng)地設(shè)置在溝道的相對表面上，源極和 漏極可以分別設(shè)置在第一隧穿勢壘和第二隧穿勢壘上，柵極電極可以包括與溝道上的源極 分離的第一柵極電極以及與溝道上的漏極分離的第二柵極電極。根據(jù)示例實(shí)施例，一種操作自旋晶體管的方法可以包括從源極注入自旋極化電 子；以及通過向溝道施加電場或磁場來控制溝道的磁化狀態(tài)，以使自旋極化電子選擇性通 過控制操作可以是向柵極電極施加預(yù)定電壓?？刂撇僮骺梢允窍驏艠O電極和第二柵極電極中的每個(gè)施加預(yù)定電壓，第二柵極電 極設(shè)置在柵極電極上方且垂直于柵極電極。根據(jù)溝道的磁化狀態(tài)，溝道可以使僅從源極注入的自旋極化電子中具有特定自旋 方向的自旋電子通過。有利效果與常規(guī)半導(dǎo)體器件相比，根據(jù)示例實(shí)施例的自旋晶體管可以具有增大的電荷遷移 率。此外，由于移動自旋電子所需的功率可以小于移動電子所需的功率，所以可以減小操作 所需的功率量。因此，可以通過按比例縮小而制造相對小的晶體管。


通過以下結(jié)合附圖的具體描述，示例實(shí)施例將被更清楚地理解。圖1-圖8表示在 此所述的非限制性的示例實(shí)施例。圖1是根據(jù)示例實(shí)施例的自旋晶體管的示意性截面圖；圖2和圖3是圖1的自旋晶體管的示意性能帶圖；圖4是根據(jù)示例實(shí)施例的自旋晶體管的示意性截面圖；圖5是解釋圖4的自旋晶體管的操作的視圖；圖6是根據(jù)示例實(shí)施例的自旋晶體管的示意性截面圖；圖7是根據(jù)示例實(shí)施例的自旋晶體管的示意性截面圖；圖8是根據(jù)示例實(shí)施例的自旋晶體管的示意性截面圖。應(yīng)當(dāng)指出，這些附圖旨在示出在特定示例實(shí)施例中使用的方法、結(jié)構(gòu)和/或材料 的一般特性并補(bǔ)充下面提供的書面描述。然而，這些附圖沒有按比例，可以不精確地反映任 何給定實(shí)施例的精確結(jié)構(gòu)或性能特性，不應(yīng)當(dāng)解釋為限定或限制由示例實(shí)施例所包括的數(shù)
5值范圍或性質(zhì)。例如，為了清晰，可以減小或夸大分子、層、區(qū)域和/或結(jié)構(gòu)元件的相對厚度 和位置。在各個(gè)附圖中相似或相同的附圖標(biāo)記的使用旨在表示相似或相同元件或特征的存在。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將參照附圖更充分地描述示例實(shí)施例，其中示例實(shí)施例可以在附圖中示出。 在附圖中，為了清晰，可以夸大層和區(qū)域的厚度。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記指代相同的元 件，將省略對其的重復(fù)描述。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)元件被稱為“連接到”或“耦接到”另一元件時(shí)，它可以直接連接或耦 接到另一元件上，或者還可以存在中間件。相反，當(dāng)元件被稱為“直接連接到”或“直接耦接 到”另一元件時(shí)，不存在中間元件。相同的附圖標(biāo)記始終指代相同的元件。如此處所用的， 術(shù)語“和/或”包括一個(gè)或多個(gè)所列相關(guān)列舉項(xiàng)目的任何及所有組合。應(yīng)當(dāng)理解，雖然這里可使用術(shù)語“第一”、“第二”等來描述各種元件、組件、區(qū)域、層 和/或部分，但這些元件、組件、區(qū)域、層和/或部分不應(yīng)受限于這些術(shù)語。這些術(shù)語僅用于 將一個(gè)元件、組件、區(qū)域、層或部分與另一元件、組件、區(qū)域、層或部分區(qū)別開。因此，以下討 論的第一元件、組件、區(qū)域、層或部分可以在不背離示例實(shí)施例的教導(dǎo)的前提下被稱為第二 元件、組件、區(qū)域、層或部分。為便于描述，此處可以使用諸如“在...之下”、“在...下面”、“下(lower)”、 “在...之上”、“上(upper)”等空間相對性術(shù)語來描述如附圖所示的一個(gè)元件或特征與另 一元件或特征(多個(gè)元件或特征)之間的關(guān)系。應(yīng)當(dāng)理解，空間相對性術(shù)語用來概括除附 圖所示取向之外在使用或操作中器件的不同取向。例如，如果附圖中的器件翻轉(zhuǎn)過來，則被 描述為“在”其他元件或特征“之下”或“下面”的元件將會取向?yàn)樵谄渌蛱卣鞯摹吧?方”。這樣，示范性術(shù)語“在...下面”就能夠涵蓋之上和之下兩種取向。器件可以采取其 他取向(旋轉(zhuǎn)90度或在其他取向)，此處所用的空間相對性描述被相應(yīng)地解釋。這里所用的術(shù)語僅僅是為了描述特定實(shí)施例，并非要限制示例實(shí)施例。如此處所 用的，除非上下文另有明確表述，否則單數(shù)形式“一(a)”、“一(an)”和“該(the)”均同時(shí)旨 在包括復(fù)數(shù)形式。還應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)在本說明書中使用時(shí)，術(shù)語“包括”和/或“包含”表明所 述特征、整體、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但并不排除一個(gè)或多個(gè)其它特征、整體、 步驟、操作、元件、組件和/或其組合的存在或增加。這里參照截面圖示描述示例實(shí)施例，這些圖示為示例實(shí)施例的理想化實(shí)施例(和 中間結(jié)構(gòu))的示意性圖示。因而，舉例來說，由制造技術(shù)和/或公差引起的圖示形狀的變化 是可以預(yù)期的。因此，示例實(shí)施例不應(yīng)被解釋為限于此處示出的區(qū)域的特定形狀，而是包括 由例如制造引起的形狀偏差。例如，圖示為矩形的注入?yún)^(qū)典型地將具有圓形或彎曲的特征 和/或在其邊緣處的注入濃度的梯度而不是從注入?yún)^(qū)到非注入?yún)^(qū)的二元變化。類似地，通 過注入形成的埋入?yún)^(qū)會導(dǎo)致在埋入?yún)^(qū)與通過其發(fā)生注入的表面之間的區(qū)域中的一些注入。 因此，附圖所示的區(qū)域?qū)嵸|(zhì)上是示意性的，它們的形狀并非要示出器件區(qū)的實(shí)際形狀，也并 非意欲限制示例實(shí)施例的范圍。除非另行定義，此處使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)都具有示例實(shí) 施例所屬領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員所通常理解的同樣的含義。還應(yīng)當(dāng)理解，諸如通用詞典中所定義的術(shù)語，除非此處加以明確定義，否則應(yīng)當(dāng)被解釋為具有與它們在相關(guān)領(lǐng)域的語境 中的含義相一致的含義，而不應(yīng)被解釋為理想化或過度形式化的意義。圖1是根據(jù)示例實(shí)施例的自旋晶體管100的示意性截面圖。參照圖1，絕緣層104 和柵極電極110可以形成在襯底102上。襯底102可以是常規(guī)的硅襯底，絕緣層104可以 由硅氧化物形成。柵極電極110可以由A1或多晶硅形成。柵極氧化物層112和溝道120可以依次形成在柵極電極110上。源極130和漏極 140 (其可以彼此分離)可以形成在溝道120上。柵極氧化物層112可以由硅氧化物形成。絕緣層150還可以形成在源極130和漏極140之間。第一隧穿勢壘132可以形成在溝道120與源極130之間，第二隧穿勢壘142可以 形成在溝道120與漏極140之間。第一隧穿勢壘132和第二隧穿勢壘142可以以單層結(jié)構(gòu) 形成，使得第一隧穿勢壘132和第二隧穿勢壘142彼此連接。第一隧穿勢壘132和第二隧 穿勢壘142可以由設(shè)置在隧道磁電阻(tunneling magneto resistivty, TMR)器件中的兩 個(gè)磁化層之間的相同材料形成，例如MgO或A1203。例如，如果MgO用于形成第一隧穿勢壘 132和第二隧穿勢壘142，則可以獲得高磁阻(MR)率。源極130可以由磁性材料形成，例如鐵磁材料。源極130可以包括在第一隧穿勢 壘132上的鐵磁層134和在鐵磁層134上的金屬層138。此外，源極130還可以包括在鐵磁 層134和金屬層138之間的半鐵磁層136。鐵磁層134允許自旋極化電子易于注入到源極130中。半鐵磁層136固定鐵磁層134的自旋極化電子的自旋方向。漏極140可以由普通的金屬形成。此外，漏極140還可以由金屬材料形成，例如鐵 磁材料。漏極140可以僅包括金屬層148。漏極140可以包括在第二隧穿勢壘142和金屬 層148之間的鐵磁層144。此外，漏極140還可以包括在鐵磁層144和金屬層148之間的半 鐵磁層146。溝道120是自旋極化電子在源極130和漏極140之間的通道。溝道120用作使從 源極130注入的具有特定方向(例如，自旋向上方向或自旋向下方向)的自旋極化電子選 擇性通過的過濾器。溝道120的過濾功能可以根據(jù)施加到柵極電極110的電壓改變。第一隧穿勢壘132過濾掉具有不期望自旋方向的電子以防止該電子進(jìn)入溝道120 中，第二隧穿勢壘142過濾掉具有不期望自旋方向的電子以防止該電子從溝道120進(jìn)入漏 極140中。在此情況下，自旋晶體管100是利用場效應(yīng)的晶體管。溝道120可以由鐵磁材料形成，例如半金屬。半金屬的示例包括磁性氧化物、具有 雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的磁性材料、磁性休斯勒合金、磁性半休斯勒合金和具有半金屬特性的半導(dǎo) 體。磁性氧化物可以是Cr02、Fe304、NiO或Ti02。雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料的化學(xué)組成物可以表示為A2BB’06。對應(yīng)于A的材料可以是Ca、 Sr或Ba，對應(yīng)于B的材料可以是3d軌道過渡金屬(例如Fe和Co)，對應(yīng)于B’的材料可以是 4d軌道過渡金屬(例如Mo和Re)。雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料可以是例如Sr2FeMo06或Sr2FeRe06。 休斯勒化合物可以是Co2CrAl。磁性休斯勒合金可以包括從由X2YZ、X2YZ’、X2Y’ Z和X2Y’ V組成的組選出的至少
7一種化合物，其中X包括從Co、Fe和Ru選出的至少一種，Y是Cr或Mn，Z是從Si、Ge、Sn、 A1、Ga、Sb和Pb選出的任何一種。磁性休斯勒合金的示例包括Co2CrAl和Co2MnSi。磁性半休斯勒合金可以是從NiMnSb、PdMnSb、PtMnSb、CoMnSb、IrMnSb、NiCrSb、 FeMnSb、CoCrSb、NiVSb、CoVSb、CoTiSb、NiMnSe、NiMnTe、CoFeSb、NiFeSb 和 RhMnSb 選出的
任何一種合金。具有半金屬特性的半導(dǎo)體可以從CrAS、MnAS和CrSe選出。溝道120可以由從CoFe、CoFeB、Fe、Co、Mn和坡莫合金(Permalloy)選出的任何一 種鐵磁金屬形成。溝道120還可以由通過用過渡金屬摻雜半導(dǎo)體以獲得磁特性而制備的稀 磁半導(dǎo)體材料形成。稀磁半導(dǎo)體材料可以是從(In，Mn)As、(Ga, Mn)As、(Zn, Co)0、(Zn, V) 0、(Ga, Mn)N、(Ga, Cr)N、(Cd, Mn)GeP2、(Zn, Mn)GeP2、(Ti, Cr) 02 禾P (Zn, Cr) Se 選出的任意 一種材料。在這點(diǎn)上，括號中前面的材料是母體，后面的材料是摻雜材料或替代物。此外， 亞錳酸鹽基材料(例如NiMnSb或La(1_x)AxMn03，其中A為Ca、Ba或Sr，0. 2 < x < 0. 3)和 過渡金屬摻雜的半導(dǎo)體(例如Cu摻雜的GaN)也具有半金屬特性。半金屬具有自旋向下的電子和自旋向上的電子，由于形成在費(fèi)米能級附近的帶 隙，一個(gè)自旋電子具有半導(dǎo)體特性，而另一自旋電子具有金屬特性。當(dāng)源極130和漏極140分別包括鐵磁層134和144時(shí)，鐵磁層134和144可以形 成為具有相同的主導(dǎo)電子自旋方向。鐵磁金屬可以是NiFe合金、CoFe合金、CoFeB合金、 Fe、Co、Mn和坡莫合金。鐵磁層134和144可以在一個(gè)自旋方向具有比另一自旋方向高的 態(tài)密度(D0S)，例如自旋向上電子的密度可以高于自旋向下電子的密度。然而，在普通金屬 中，自旋向上電子和自旋向下電子的DOS可以是相同的，漏極120可以由普通金屬形成。半鐵磁層136和146可以由FeMn、PtMn或PtCrMn形成。當(dāng)溝道120由半金屬形成并且源極130和漏極140由鐵磁材料形成時(shí)，溝道120 可以形成為具有在源極130和漏極140的主導(dǎo)(predominant)電子自旋方向上的半導(dǎo)體特 性?，F(xiàn)在將參照圖2和圖3來描述操作圖1的自旋晶體管100的方法。圖2和圖3是源極 130、漏極140以及第一隧穿勢壘132和第二隧穿勢壘142的能帶圖。圖1、圖2和圖3中相 同的元件用相同的附圖標(biāo)記指代，因此將省略對它們的描述。參照圖2，源極130和漏極140由鐵磁金屬形成，溝道120由半金屬形成。源極130 和漏極140中的每個(gè)形成為具有主導(dǎo)的自旋向上的電子，溝道120可以具有在自旋向上方 向上的半導(dǎo)體特性。為了將自旋電子從源極130移動到漏極140，IV的偏置電壓可以施加 到漏極140，接地電壓施加到源極130。在源極130中，自旋向下的電子是少子，自旋向下電子的量可以相對較少。第一隧 穿勢壘132和第二隧穿勢壘142(Mg0層)可以選擇性地允許自旋向上的電子(其為多子) 隧穿。溝道120可以阻擋自旋向上的電子移動到漏極140的流動，因此沒有電流在溝道120 中流動。也就是，自旋晶體管100可以處于截止(OFF)狀態(tài)。通過參照在漏極140中測得的 電流(也就是漏極電流)，可以確定自旋晶體管100是處于導(dǎo)通(0N)狀態(tài)還是截止(OFF) 狀態(tài)。參照圖3，當(dāng)0. 5V的柵電壓施加到柵極電極110時(shí)，溝道120的自旋向上電子的導(dǎo) 帶可以與源極130的費(fèi)米能級對準(zhǔn)，因此源極130中的自旋向上電子可以穿過第一隧穿勢 壘132移動到溝道120，溝道120中的自旋向上電子可以穿過第二隧穿勢壘142移動到漏極 140。因此，電流可以在溝道120中流動，自旋晶體管100可以處于導(dǎo)通(0N)狀態(tài)。
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如上所述，自旋極化電子可以由于柵極電壓而選擇性地通過溝道120，從而自旋晶 體管100被開啟。與常規(guī)半導(dǎo)體器件相比，根據(jù)示例實(shí)施例的自旋晶體管100可以具有增 大的電荷遷移率。此外，由于移動自旋電子所需的功率可以小于移動電子所需的功率，所以 可以減少操作所需的功率量。因此，相對小的晶體管可以通過按比例縮小而制造。圖4是根據(jù)示例實(shí)施例的自旋晶體管200的示意性截面圖。圖1的自旋晶體管100 和圖4的自旋晶體管200中的相同元件用相同的附圖標(biāo)記指代，因此將省略對它們的描述。參照圖4，第二柵極電極260可以形成在襯底102中。第二柵極電極260可以與柵 極電極110分離且設(shè)置為垂直于柵極電極110。柵極電極110可以被稱為第一柵極電極。 施加到第一柵極電極110的第一電流垂直于施加到第二柵極電極260的第二電流。通過控 制第一電流或第二電流的方向，可以改變溝道120的自旋方向。例如，在溝道120由鐵磁金 屬形成的情況下，當(dāng)磁場施加到溝道120使得溝道120和源極130的主要自旋具有相同的 方向時(shí)，自旋晶體管200可以被開啟，當(dāng)磁場施加到溝道120使得溝道120和源極130的主 要自旋具有不同的方向時(shí)，自旋晶體管200可以被截止。在溝道120由半金屬形成的情況下，自旋晶體管200可以通過控制流過第一柵極 110和第二柵極260的電流而開啟或截止。例如，當(dāng)具有金屬特性的自旋方向是如圖5所示 的自旋向上的方向時(shí)，自旋晶體管200可以被開啟，當(dāng)具有金屬特性的自旋方向是如圖2所 示的自旋向下的方向時(shí)，自旋晶體管200可以被截止。因此，自旋晶體管200可以利用磁場來開啟。圖6是根據(jù)示例實(shí)施例的自旋晶體管300的示意性截面圖。圖1的自旋晶體管100 和圖6的自旋晶體管300的相同元件用相同的附圖標(biāo)記指代，因此將省略對它們的描述。參照圖6，絕緣層304可以形成在襯底302上，彼此分離的源極330和漏極340可 以形成在絕緣層304上。絕緣層350可以形成在源極330和漏極340之間。第一隧穿勢壘 332和第二隧穿勢壘342可以分別形成在源極330和漏極340上。溝道320、柵極絕緣層 312和柵極電極310可以以此順序依次設(shè)置在第一隧穿勢壘332和第二隧穿勢壘342上。在源極330中，鐵磁層334、半鐵磁層336和金屬層338可以以此順序從第一隧穿 勢壘332向下依次設(shè)置。在漏極340中，鐵磁層344、半鐵磁層346和金屬層348可以依次 順序從第二隧穿勢壘342向下依次設(shè)置。圖6的自旋晶體管300的操作方法可以與圖1的自旋晶體管100的操作方法基本 相同，因此將省略對其的描述。同時(shí)，在圖6的自旋晶體管300中，第二柵極電極(未示出)可以進(jìn)一步設(shè)置在柵 極電極310上方以與柵極電極310交叉，從而可以獲得通過磁場驅(qū)動的自旋晶體管。圖7是根據(jù)示例實(shí)施例的自旋晶體管400的示意性截面圖。參照圖7，絕緣層404可以形成在襯底402上。源極430、溝道420和漏極440可 以形成在同一平面上，例如形成在絕緣層404上。柵極絕緣層412和柵極電極410可以形 成在溝道420上。襯底402可以是硅襯底，絕緣層404可以由硅氧化物形成。柵極電極410可以由 貴金屬(例如釕(Ru)、鉬(Pt)、金(Au)、銀(Ag)、鈦(Ti)或鋁(A1))、過渡金屬、稀土金屬或 多晶硅形成。柵極絕緣層412可以由從硅氧化物、Mg0、Al203、&02和Si3N4選出的材料形成。
第一隧穿勢壘432可以形成在溝道420和源極430之間，第二隧穿勢壘442可以 形成在溝道420和漏極440之間。第一隧穿勢壘432和第二隧穿勢壘442可以由設(shè)置在隧 穿磁阻(TMR)器件中的兩個(gè)磁化層之間的相同材料形成，例如MgO或A1203。源極430可以由磁性材料形成，例如鐵磁材料。源極430可以包括在第一隧穿勢 壘432上的鐵磁層434和在鐵磁層434上的金屬層438。此外，源極430還可以包括在鐵磁 層434和金屬層438之間的半鐵磁層436。漏極440可以由普通金屬形成。此外，漏極440可以由磁性材料形成，例如鐵磁 材料。漏極440可以僅包括金屬層448。漏極440可以包括在第二隧穿勢壘442和金屬層 448之間的鐵磁層444。此外，漏極440還可以包括在鐵磁層444和金屬層448之間的半鐵 磁層446。溝道420是自旋極化電子在源極430和漏極440之間的通道。溝道420用作使具 有特定方向(例如，自旋向上的方向)的自旋極化電子選擇性通過的過濾器。溝道420的 過濾功能可以根據(jù)施加到柵極電極410的電壓而改變。在此情況下，自旋晶體管400可以 是利用場效應(yīng)的晶體管。第一隧穿勢壘432過濾掉具有不期望自旋方向的電子以防止該電 子進(jìn)入溝道420中，第二隧穿勢壘442過濾掉具有不期望自旋方向的電子以防止該電子從 溝道120進(jìn)入到漏極440中。溝道420可以由與圖1的溝道120相同的材料形成，因此將省略對其的描述。半金屬具有自旋向下的電子和自旋向上的電子，一個(gè)自旋方向的電子由于形成在 費(fèi)米能級附近的帶隙而具有半導(dǎo)體特性，另一自旋方向電子具有金屬特性。當(dāng)源極430和漏極440分別包括鐵磁層434和444時(shí)，鐵磁層434和444可以形成 為含有具有相同主導(dǎo)自旋方向的自旋電子。鐵磁金屬可以是NiFe合金、CoFe合金或CoFeB 合金。鐵磁層434和444可以在一個(gè)自旋方向具有比另一自旋方向更高的態(tài)密度(DOS)，例 如自旋向上電子的密度可以大于自旋向下電子的密度。然而，在普通金屬中，自旋向上電子 和自旋向下電子的DOS可以是相同的，漏極420可以由普通金屬形成。半鐵磁層436和446可以由FeMn、PtMn或PtCrMn形成。當(dāng)溝道420由半金屬形成并且源極430和漏極440由鐵磁材料形成時(shí)，溝道420 可以形成為具有在源極430和漏極440的主導(dǎo)電子自旋方向上的半導(dǎo)體特性。圖7的自旋晶體管400還可以包括第二柵極(見圖4的260)，第二柵極垂直于柵 極電極410設(shè)置。第二柵極電極可以設(shè)置在柵極電極410之上或之下，這里將不詳細(xì)地描 述。圖7的自旋晶體管400的操作方法可以與圖1的自旋極化電子100的操作方法相 同，因此將省略對其的描述。同時(shí)，第二柵極電極(未示出)可以形成為垂直于柵極電極410設(shè)置。因此，溝道 420的自旋方向通過控制施加到柵極電極410和第二柵極電極的電流來控制。自旋晶體管 400的操作方法可以與圖4的自旋晶體管200的操作方法基本相同，因此將省略對其的描 述。圖8是根據(jù)示例實(shí)施例的自旋晶體管500的示意性截面圖。參照圖8，絕緣層504可以形成在襯底502上，第一柵極電極510和源極530可以 形成在絕緣層504上。絕緣層551可以設(shè)置在第一柵極電極510和源極530之間以使第一柵極電極510與源極530分離。第一柵極絕緣層512可以形成在第一柵極電極510上，第 一隧穿勢壘532可以形成在源極530上。源極530可以包括以該次序從第一隧穿勢壘532依次設(shè)置的鐵磁層534、半鐵磁層 536和金屬層538。溝道520可以形成在第一隧穿勢壘532、第一柵極絕緣層512和絕緣層551上。漏 極540和第二柵極電極560可以形成在溝道520上。第二柵極絕緣層562可以設(shè)置在第二 柵極電極560和溝道520之間。絕緣層552可以設(shè)置在漏極540和第二柵極電極560之間 以使漏極540與第二柵極電極560分離。第二隧穿勢壘542還可以設(shè)置在漏極540和溝道520之間。漏極540還可以包括 以該順序依次形成在第二隧穿勢壘542上的鐵磁層544、半鐵磁層546和金屬層548。源極530可以關(guān)于溝道540對應(yīng)于漏極540，第一柵極電極510可以關(guān)于溝道520 對應(yīng)于第二柵極電極560。柵極電壓施加到第一柵極電極510和第二柵極電極560的至少之一。根據(jù)柵極電 壓的施加，電子自旋從源極530移動到漏極540，因此自旋晶體管500被開啟。在自旋晶體 管500中，溝道520從源極530到漏極540的通路是短的，因此可以減少由自旋方向的變化 而引起的自旋晶體管500的故障。盡管已經(jīng)參照本發(fā)明的不同實(shí)施例具體示出并描述了本發(fā)明的方案，但是應(yīng)當(dāng)理 解，這些示范性實(shí)施例應(yīng)當(dāng)以描述性的含義理解，而不是為了限制目的。對每個(gè)實(shí)施例中的 特征或方案的描述通常應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為可以用于其余實(shí)施例中的其他類似特征或方案。因此，盡管已經(jīng)示出和描述了一些實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，在這 些實(shí)施例中可以做出變化而不背離本發(fā)明的原理和精神，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書及其 等同物限定。工業(yè)應(yīng)用本發(fā)明可以應(yīng)用于晶體管和存儲器行業(yè)。
1權(quán)利要求
一種自旋晶體管，包括溝道，由磁性材料形成且使具有特定方向的自旋極化電子選擇性地通過；源極，由磁性材料形成；漏極；以及柵極電極，控制所述溝道的磁化狀態(tài)以使從所述源極注入的所述自旋極化電子選擇性通過并進(jìn)入所述溝道中。
2.如權(quán)利要求1所述的自旋晶體管，其中通過利用由于施加到所述柵極電極的電壓而 產(chǎn)生的電場來控制所述溝道，從而控制從所述源極注入的所述自旋極化電子的通過。
3.如權(quán)利要求2所述的自旋晶體管，還包括使所述柵極電極與所述溝道電分離的絕緣 材料。
4.如權(quán)利要求1所述的自旋晶體管，其中通過利用由于流過所述柵極電極的電流而產(chǎn) 生的磁場來控制所述溝道，從而控制從所述源極注入的所述自旋極化電子的通過。
5.如權(quán)利要求4所述的自旋晶體管，還包括第二柵極電極，該第二柵極電極與所述柵 極電極電絕緣并垂直于所述柵極電極。
6.如權(quán)利要求1所述的自旋晶體管，還包括隧穿勢壘，該隧穿勢壘設(shè)置在從所述溝道 與所述源極之間和所述溝道與所述漏極之間選出的至少之一處。
7.如權(quán)利要求6所述的自旋晶體管，其中所述隧穿勢壘包括第一隧穿勢壘，在所述溝道與所述源極之間；和第二隧穿勢壘，在所述溝道與所述漏極之間。
8.如權(quán)利要求7所述的自旋晶體管，其中所述源極包括鐵磁層，設(shè)置在所述第一隧穿勢壘上；和金屬層，設(shè)置在所述鐵磁層上。
9.如權(quán)利要求8所述的自旋晶體管，其中所述源極還包括形成在所述鐵磁層與所述金 屬層之間的半鐵磁層。
10.如權(quán)利要求6所述的自旋晶體管，其中所述漏極包括設(shè)置在所述第二隧穿勢壘上 的磁性層和設(shè)置在該磁性層上的金屬層。
11.如權(quán)利要求10所述的自旋晶體管，其中所述漏極的磁性層是鐵磁層。
12.如權(quán)利要求11所述的自旋晶體管，其中所述漏極還包括在所述鐵磁層和所述金屬 層之間的半鐵磁層。
13.如權(quán)利要求6所述的自旋晶體管，其中所述隧穿勢壘由鎂氧化物或鋁氧化物形成。
14.如權(quán)利要求1所述的自旋晶體管，其中所述溝道由鐵磁材料形成
15.如權(quán)利要求14所述的自旋晶體管，其中所述鐵磁材料是半金屬。
16.如權(quán)利要求15所述的自旋晶體管，其中所述半金屬包括從由磁性氧化物、具有雙 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的磁性材料、磁性休斯勒合金、磁性半休斯勒合金和具有半金屬特性的半導(dǎo)體 組成的組中選出的至少一種材料。
17.如權(quán)利要求16所述的自旋晶體管，其中所述磁性氧化物是從Cr02、Fe3O4,NiO和 TiO2組成的組中選出的任何一種氧化物。
18.如權(quán)利要求16所述的自旋晶體管，其中所述具有雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的磁性材料由 A2BB' O6表示，其中A包括從Ca、Sr和Ba選出的至少一種，B是Fe或Co，B，是Mo或Re。
19.如權(quán)利要求16所述的自旋晶體管，其中所述磁性休斯勒合金包括從由X2YZ、X2YZ’、 X2Y' Z和Χ2Υ’ V組成的組中選出的至少一種化合物，其中X包括從Co、Fe和Ru選出的至 少一種，Y是Cr或Mn，Z是從Si、Ge、Sn、Al、Ga、Sb和Pb選出的任何一種。
20.如權(quán)利要求16所述的自旋晶體管，其中所述磁性半休斯勒合金是從MMnSb、 PdMnSb, PtMnSb, CoMnSb, IrMnSb, NiCrSb, FeMnSb, CoCrSb, NiVSb, CoVSb, CoTiSb, NiMnSe, NiMnTe, CoFeSb, NiFeSb和RhMnSb組成的組中選出的任何一種化合物。
21.如權(quán)利要求16所述的自旋晶體管，其中所述具有半金屬特性的半導(dǎo)體是從CrAs、 MnAs和CrSe選出的任何一種材料。
22.如權(quán)利要求14所述的自旋晶體管，其中所述溝道由從C0Fe、C0FeB、Fe、C0、Mn和坡 莫合金組成的組中選出的任何一種材料形成。
23.如權(quán)利要求14所述的自旋晶體管，其中所述溝道由通過用過渡金屬摻雜半導(dǎo)體以 獲得磁特性而制備的稀磁半導(dǎo)體材料形成。
24.如權(quán)利要求23所述的自旋晶體管，其中所述稀磁半導(dǎo)體材料是從(In，Mn)AS、(Ga， Mn) As、(Zn，Co) O、(Zn，V) O、(Ga，Mn)N、(Ga，Cr)N、(Cd, Mn)GeP2, (Zn, Mn)GeP2, (Ti, Cr) O2 禾口 (Zn, Cr) Se組成的組中選出的任何一種材料。
25.如權(quán)利要求1所述的自旋晶體管，其中所述溝道、所述源極和所述漏極設(shè)置在同一 平面上。
26.如權(quán)利要求7所述的自旋晶體管，其中所述第一隧穿勢壘在所述溝道上與所述第 二隧穿勢壘分離，所述源極和所述漏極分別設(shè)置在所述第一隧穿勢壘和所述第二隧穿勢壘 上。
27.如權(quán)利要求7所述的自旋晶體管，其中所述源極、所述溝道和所述漏極設(shè)置為垂直 于襯底。
28.如權(quán)利要求27所述的自旋晶體管，其中所述第一隧穿勢壘和所述第二隧穿勢壘彼 此對應(yīng)地設(shè)置在所述溝道的相對表面上，所述源極和所述漏極分別設(shè)置在所述第一隧穿勢 壘和所述第二隧穿勢壘上，并且所述柵極電極包括在所述溝道上與所述源極分離的第一柵極電極和在所述溝道上與 所述漏極分離的第二柵極電極。
29.一種操作權(quán)利要求1的自旋晶體管的方法，該方法包括從所述源極注入自旋極化電子；以及通過向所述溝道施加電場或磁場來控制所述溝道的磁化狀態(tài)，以使自旋極化電子選擇 性地通過。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述控制操作是向所述柵極電極施加預(yù)定電壓。
31.如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述控制操作是向所述柵極電極和第二柵極電 極中的每個(gè)施加預(yù)定電壓，該第二柵極電極設(shè)置在所述柵極電極上方且垂直于所述柵極電 極。
32.如權(quán)利要求29所述的方法，其中根據(jù)所述溝道的磁化狀態(tài)，所述溝道僅使從所述 源極注入的自旋極化電子中具有特定自旋方向的自旋電子通過。
全文摘要
本發(fā)明公開了自旋晶體管及操作該自旋晶體管的方法。所公開的自旋晶體管包括溝道，由磁性材料形成且使具有特定方向的自旋極化電子選擇性地通過；源極，由磁性材料形成；漏極；以及柵極電極。當(dāng)預(yù)定電壓施加到柵極電極時(shí)，溝道使具有特定方向的自旋極化電子選擇性地通過，從而自旋晶體管被選擇性地開啟。
文檔編號H01L29/80GK101855727SQ200880115280
公開日2010年10月6日 申請日期2008年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月9日
發(fā)明者李晟熏, 洪起夏, 申在光, 金鐘燮 申請人:三星電子株式會社