基於雙勢壘隧道結共振隧穿效應的電晶體的製作方法
2023-07-12 16:09:41
專利名稱：基於雙勢壘隧道結共振隧穿效應的電晶體的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種固態開關及放大器件，即電晶體，尤其是一種基於雙勢壘隧道結共振隧穿效應的自旋電晶體器件。
背景技術：
自1988年在磁性多層膜中發現巨磁阻效應(GMR)以來，在物理和材料科學的研究和應用中取得了很大進展。1993年Johnson[M.Johnson，Science 260(1993)320]提出了一個由鐵磁性金屬發射極、一個厚度小於自旋擴散長度的非磁性金屬基極和另一個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」三明治全金屬自旋電晶體。圖1是這種全金屬自旋電晶體的示意圖。這種全金屬電晶體的速度可與半導體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，可以組成未來量子計算機的各種邏輯電路、處理器等。後來IBM實驗組提出了以單勢壘磁性隧道結自旋電晶體，其結構為金屬(發射極)/氧化鋁/鐵磁性金屬(基極)/半導體材料(集電極)。然而這類電晶體由於基極與集電極之間的肖特基勢而有以下缺點①缺乏對基極—集電極勢能的控制；②在低發射極—基極電壓下大的漏電流；③較小的集電極電流。1997年Zhang[X.D.Zhang，Phys.Rev.B56(1997)5484]從理論上預言了在磁性雙勢壘隧道結中存在隧道磁電阻(TMR)振蕩現象，2002年S.Yuasa[S.Yuasa，Science 297(2002)234]在單勢壘磁性隧道結中發現了自旋極化共振隧穿現象。而利用雙勢壘隧道結的共振隧穿效應製作的共振隧穿自旋電晶體，可以克服上述問題，具有以下優點大的集電極電流；可變的基極—集電極電壓；較小的漏電流；同時可用於磁敏開關、電流放大器件和振蕩器件等。但由於對雙勢壘隧道結的研究甚少，且很難製備出完好的雙勢壘隧道結，目前，尚未有基於雙勢壘隧道結共振隧穿效應的自旋電晶體器件。
發明內容
本發明的目的在於克服已有的單勢壘磁性隧道結自旋電晶體缺乏對基極—集電極勢能的控制、在低發射極—基極電壓下漏電流大，以及集電極電流較小的缺陷；從而提供一種具有大的集電極電流，和可變的基極—集電極電壓，同時又具有較小的漏電流的、可用於磁敏開關、電流放大器件和振蕩器件的，基於雙勢壘隧道結共振隧穿效應的電晶體。
本發明的目的是這樣實現的如圖2a所示，本發明提供的一種基於雙勢壘隧道結共振隧穿效應的電晶體，包括一襯底1、發射極3、基極5、集電極7和第一隧道勢壘層4，其中第一隧道勢壘層4設置在發射極3和基極5之間；其特徵在於還包括第二隧道勢壘層6；該第二隧道勢壘層6在基極5與集電極7之間；並且發射極3與基極5間和基極5與集電極7間形成的隧道結的結面積的大小為1平方微米～10000平方微米；所述的基極5的厚度應當與該層材料的電子平均自由程可比擬；所述的發射極3、基極5和集電極7中有且僅有一極的磁化強度的方向是自由的，即該層的磁化強度的方向可隨外加磁場而發生改變。
所述的襯底包括由絕緣材料或非絕緣材，或半導體材料製成；所述的絕緣材料包括Al2O3，SiO2和Si3N4，其襯底的厚度為0.3mm到5mm。
所述的非絕緣材料包括Cu，Al。
所述的半導體材料包括Si、Ga、GaN、GaAs、GaAlAs、InGaAs或InAs。
在上述的技術方案中，當襯底為非絕緣材料或半導體材料製成時，還包括在襯底上設置一絕緣材料層2，該絕緣材料層2的厚度為10-500nm。所述的絕緣材料層2包括三氧化二鋁(Al2O3)、二氧化矽(SiO2)，氮化矽(Si3N4)，其厚度為50～500nm。
在上述的技術方案中，還包括一個導電保護層8，該導電保護層8設置在發射極3、基極5和集電極7上，該導電保護層8包括金、鉑、銀、鋁、鉭等或其它抗氧化金屬導電材料製作，其厚度為0.5～10nm。
在上述的技術方案中，所述的發射極3包括用鐵磁性材料FM、半金屬磁性材料HM、磁性半導體材料MSC、或有機磁性材料OM、半導體材料SC、非磁性金屬材料NM、或Nb等金屬和YBa2Cu3O7等Cu-O系列的超導材料SP製作，其厚度為2nm～20nm。
在上述的技術方案中，所述的基極5包括鐵磁性材料FM、半金屬磁性材料HM、磁性半導體材料MSC、或有機磁性材料OM、非磁性金屬材料NM、半導體材料SC；該基極5的厚度為2nm～20nm。
在上述的技術方案中，所述的集電極7包括鐵磁性材料FM、半金屬磁性材料HM磁性半導體材料MSC、或有機磁性材料OM、非磁性金屬材料NM、半導體材料SC；該集電極7的厚度為2nm～20nm。
所述的鐵磁性材料包括Fe、Co、Ni等3d過渡族磁性金屬，Sm、Gd、Nd等稀土金屬，Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe、Gd-Y等鐵磁性合金。
在上述的技術方案中，鐵磁性的磁化強度的方向可由反鐵磁性層釘扎，該反鐵磁性層可由Ir、Fe、Rh、Pt或Pd與Mn的合金材料製成或其它CoO、NiO、PtCr等反鐵磁性材料構成。
所述的半金屬磁性材料HM包括Fe3O4、CrO2、La0.7Sr0.3MnO3和Co2MnSi等Heussler合金。
所述的非磁性金屬材料NM包括Au、Ag、Pt、Cu、Ru、Al、Cr或及其合金。
所述的磁性半導體材料MSC包括Fe、Co、Ni、V、Mn摻雜的ZnO、TiO2、HfO2和SnO2，也包括Mn摻雜的GaAs、InAs、GaN和ZnTe。
所述的有機磁性材料OM包括二茂金屬高分子有機磁性材料和硬脂酸錳。
所述的半導體SC包括Si、Ga、GaN、GaAs、GaAlAs、InGaAs或InAs。
在上述的技術方案中，所述的第一隧道勢壘層4和第二隧道勢壘層6由絕緣材料製成，該絕緣材料包括金屬氧化物絕緣膜、金屬氮化物絕緣膜、有機或無機材料絕緣膜、類金剛石薄膜、或EuS；該第一隧道勢壘層的厚度為0.5～3.0nm；第二隧道勢壘層的厚度為0.5～4.0nm；其中兩個隧道勢壘層的厚度和材料可以相同或者不相同。
所述的金屬氧化物絕緣膜和金屬氮化物絕緣膜的金屬選自Al、Mg、Ta、Zr、Zn、Sn、Nb和Ga的金屬元素。
該結構中基極的厚度應當與該層材料的電子平均自由程可比，這樣，當電子從發射極隧穿到集電極時，由於電子在基極5中所受散射較弱而保持了電子的自旋相位記憶。
以上構成的雙勢壘隧道結共振隧道效應的電晶體按下述原理工作。
以圖3a為例進行說明，只要發射極3、基極5和集電極7被接地，發射極3、基極5、集電極7、第一隧道勢壘層4和第二隧道勢壘層6就可以處於一種熱平衡狀態。圖4是實施例1的雙勢壘隧道結電子共振隧穿的示意圖，該圖示出了隧穿電子在發射極3與集電極7的磁化強度的方向處於平行、反平行兩種狀態下的隧穿過程。在平行狀態時，發射極3中自旋方向與集電極7的磁化強度的方向相同的多數隧穿電子能隧穿過勢壘和中間金屬層，而與集電極7的磁化強度的方向相反的少數自旋電子或被雜質散射引起自旋方向發生反轉的電子不能隧穿到集電極7，此時，集電極7有較大的電流通過；而在反平行狀態時，只有少數自旋方向與集電極7的磁化強度的方向相同的隧穿電子能隧穿到集電極7，而多數自旋方向與集電極7的磁化強度的方向相反的隧穿電子不能隧穿到集電極7，此時，集電極7有較小的電流通過。同時，由於發射極3的磁化強度的方向是固定的，而集電極7的磁化強度的方向是可以隨磁場發生改變的，因此可以通過改變集電極7的磁化強度的方向來改變集電極7的電流大小。其形成過程如下，基極電流為調製信號，通過改變集電極7的磁化強度的方向從而使集電極7的信號與基極電流的調製模式相似，即發生共振隧穿效應，在合適的條件下，可得到放大的信號。
本發明提供的一種基於雙勢壘隧道結共振隧穿效應的電晶體的製備方法，包括下列步驟(1)通過磁控濺射設備或其它制薄膜設備，在矽襯底1上，製備一個由厚度為4nm的非磁金屬性層NM或半導體層SC或磁性材料層(FM、HM、MSC、OM)構成的基極5；(2)然後，第一隧道勢壘層4和第二隧道勢壘層6形成於基極5之上；(3)由磁性材料層(包括鐵磁性材料FM、或半金屬磁性材料HM、或磁性半導體材料MSC、有機磁性材料OM)製成的發射極3和集電極7形成於隧道勢壘層4和6之上；(4)採用不同矯頑力的磁性材料製作發射極3和集電極7，或通過微加工技術控制發射極3和集電極7結面積和形狀的相對大小，使得發射極3和集電極7的反轉場不一樣，因而，一個磁電極的磁化強度的方向相對固定，而另一個磁電極的磁化強度的方向反轉則相對自由；(5)最後一個由金、鉑等抗氧化的金屬製作的導電保護層8設置在基極5、發射極3和集電極7之上。
本發明的優點在於本發明的雙勢壘隧道結電晶體器件，由於採用雙勢壘結構，克服了由於基極與集電極之間產生的肖特基勢，而該電晶體有較小漏電流和較大集電極電流，同時基於這種結構的器件具有一定的電流或電壓增益，即小信號的輸入能產生較大的輸出。其中，基極電流為調製信號，通過改變基極或集電極的磁化強度的方向，從而使集電極的信號與基極電流的調製模式相似，即發生共振隧穿效應，在合適的條件下，可得到放大的信號。
圖1是基於「鐵磁性金屬/非磁性金屬/鐵磁性金屬」結構的全金屬自旋電晶體圖2是本發明的基於雙勢壘隧道結共振隧穿效應的電晶體結構示意3a是本發明的實施例1～8，12的電晶體結構剖面3b是本發明的實施例9，10的電晶體結構剖面3c是本發明的實施例11的電晶體結構剖面3d是本發明的實施例13～16的電晶體結構剖面4a是實施例1的雙勢壘隧道結電子共振隧穿的示意4b是實施例1的雙勢壘隧道結電子共振隧穿的示意5是實施例2的雙勢壘隧道結電子共振隧穿的示意6是實施例4的雙勢壘隧道結電子共振隧穿的示意7是實施例5的雙勢壘隧道結電子共振隧穿的示意8是實施例9的雙勢壘隧道結電子共振隧穿的示意9是實施例10的雙勢壘隧道結電子共振隧穿的示意面說明襯底-1絕緣層-2 發射極-3第一隧道勢壘層-4 基極-5第二隧道勢壘層-6集電極-7 導電保護層-8
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細地說明實施例1參考圖3a，製備一本發明的雙勢壘隧道結共振隧穿效應的自旋電晶體。該雙勢壘隧道結共振隧穿效應的自旋電晶體，由一厚度為0.4mm的Si材料作為襯底1，在Si襯底1上形成一層由SiO2構成10nm厚的絕緣層2，在絕緣層2上形成一發射極3，該發射極3由厚度為12nm的反鐵磁性層Ir-Mn和8nm的Fe構成，該反鐵磁性層Ir-Mn用於固定發射極3的磁化強度的方向；採用Al2O3材料製作的第一隧道勢壘層4形成於發射極3之上；其第一隧道勢壘層4厚度為1nm。並在第一隧道勢壘層4之上形成一厚度為8nm的基5，該基極5由非磁性金屬Cu製成。一個Al2O3層形成於基極5之上，作為第二隧道勢壘層6，其第二隧道勢壘層6厚度為1.6nm；一個由Co-Fe磁性材料層製成的集電極7形成於第二隧道勢壘層6之上，厚度為8nm，該集電極7的磁化強度的方向是自由的，可隨外部磁場而發生改變；採用Pt或Au材料製作的一個導電保護層8設置在發射極3、基極5和集電極7上，導電保護層8厚度為10nm。
本實施例的電晶體中，發射極3與基極5間和基極5與集電極7間形成的隧道結的結面積的大小為1平方微米。
實施例2參考圖3a，製備一本發明的雙勢壘隧道結共振隧穿效應的自旋電晶體。該雙勢壘隧道結共振隧穿效應的自旋電晶體，由一厚度為0.6mm的Si材料作為襯底1，在Si襯底1上形成一層由SiO2構成100nm厚的絕緣層2，在絕緣層2上形成一發射極3，該發射極3由厚度為15nm的反鐵磁性層Fe-Mn和厚度為4nm的La0.7Sr0.3MnO3半金屬材料層構成，該發射極3的磁化強度的方向是固定的；採用SrTiO3材料製作的第一隧道勢壘層4形成於發射極3之上，其第一隧道勢壘層4厚度為1.0nm；並在第一隧道勢壘層4之上形成一厚度為4nm的基極5，該基極5由非磁性金屬材料Ru層構成；一個SrTiO3層形成於基極5之上，作為第二隧道勢壘層6，其第二隧道勢壘層6厚度為1.3nm；一個由La0.7Sr0.3MnO3半金屬材料層製成的集電極7形成於第二隧道勢壘層6之上，厚度為4nm，該集電極7的磁化強度的方向相對自由，可隨外部磁場而發生改變；採用Pt或Au材料製作的一個導電保護層設置在發射極3、基極5和集電極7上，導電保護層8厚度為6nm。
圖5為該雙勢壘隧道結電子共振隧穿的示意圖。在這種結構中，由於La0.7Sr0.3MnO3半金屬磁性材料具有可高達100％的自旋極化率，當發射極3與集電極7的磁化強度的方向平行時，幾乎所有電子都隧穿到集電極7，此時集電極7有較大的電流通過。相反，當處於發射極3與集電極7的磁化強度的方向處於相反時，僅有很少的隧穿電子通過散射或其他作用隧穿到集電極7，此時集電極7有較小的電流通過。與實施例1所述原理一樣，也可以通過改變集電極7的磁化強度的方向，從而使隧穿電子在發射極3和集電極7間發生共振隧穿，在合適的條件下使集電極7得到放大的電流。
本實施例的電晶體中，發射極3與基極5間和基極5與集電極7間形成的隧道結的結面積的大小為100平方微米。
實施例3
參考圖3a，製備一本發明的雙勢壘隧道結共振隧穿效應的自旋電晶體。
該雙勢壘隧道結共振隧穿效應的自旋電晶體，由一厚度為0.6mm的Si材料作為襯底1，在Si襯底1上形成一層由SiO2構成300nm厚的絕緣層2，在絕緣層2上形成一發射極3，該發射極3由厚度為4nm的GaMnAs磁性半導體材料層構成。該發射極3的磁化強度的方向是相對自由的，可隨外部磁場而發生改變；採用MgO材料製作的第一隧道勢壘層4形成於發射極3之上；其第一隧道勢壘層4厚度為1.0nm。並在第一隧道勢壘層4之上形成一厚度為5nm的基極5，該基極5由非磁性金屬材料Cr層構成；一個MgO層形成於基極5之上，作為第二隧道勢壘層6，其第二隧道勢壘層6厚度為1.3nm；一個由GaMnAs磁性半導體材料層製成的集電極7形成於第二隧道勢壘層6之上，厚度為8nm，一個厚度為20nm的反鐵磁材料PtCr形成於集電極7之上，用於固定集電極7的磁化強度的方向。採用Pt或Au材料製作的一個導電保護層設置在發射極3、基極5和集電極7上，導電保護層8厚度為6nm。
本實施例的電晶體中，發射極3與基極5間和基極5與集電極7間形成的隧道結的結面積的大小為1000平方微米。
實施例4參考圖3a，製備一本發明的雙勢壘隧道結共振隧穿效應的自旋電晶體。
該雙勢壘隧道結共振隧穿效應的自旋電晶體，由一厚度為1mm的Al2O3材料作為襯底1，在Al2O3襯底1上形成一發射極3，該發射極3由厚度為15nm的反鐵磁性層Ir-Mn和厚度為8nm的Co-Fe-B合金材料層構成。該發射極3的磁化強度的方向是固定的；採用MgO材料製作的第一隧道勢壘層4形成於發射極3之上；其第一隧道勢壘層4厚度為1.8nm。並在第一隧道勢壘層4之上形成一厚度為4nm的基極5，該基極5由矯頑力較大的Co-Fe磁性材料層構成；其磁化強度的方向也是相對固定的，且與發射極3的磁化強度的方向平行。一個MgO層形成於基極5之上，作為第二隧道勢壘層6，其第二隧道勢壘層6厚度為2.7nm；一個由矯頑力較小的Ni-Fe磁性材料層製成的集電極7形成於第二隧道勢壘層6之上，厚度為8nm，該集電極7的磁化強度的方向相對自由，可隨外部磁場而發生改變；採用Pt或Au材料製作的一個導電保護層設置在發射極3、基極5和集電極7上，導電保護層8厚度為6nm。
這種雙勢壘隧道結自旋電晶體的運作原理如下，圖6是這種電晶體的雙勢壘隧道結電子共振隧穿的示意圖。由於基極材料是磁性材料，其輸運特性與自旋相關。因此，當發射極3、基極5和集電極7的磁化強度的方向處於平行狀態時，發射極3中與上、中、下三個電極的磁化強度的方向一致的多數電子將穿過基極5和兩個勢壘層進入集電極7；而發射極3中與上、中、下三個電極的磁化強度的方向相反的少數電子，將受到很強的散射作用而不能隧穿到集電極7，儘管如此，這種情況下集電極7的電流仍比較大；而當集電極7的磁化強度的方向與基極5的磁化強度的方向相反時，雖然發射極3中多數自旋子帶的電子能隧穿過第一隧道勢壘層，但由於與集電極7的磁化強度的方向相反而受到強烈的散射作用(相當於鏡面散射)而停留在中間基極5發生振蕩，僅有很少隧穿電子由於受到雜質散射或其他非彈性散射作用導致自旋反轉、可以通過第二隧道勢壘層而進入集電極7，此時集電極7的電流較小。同前述實施例的原理一樣，也可以通過改變集電極7的磁化強度的方向，從而使隧穿電子在發射極3和集電極7間發生共振隧穿，在合適的條件下在集電極7得到放大的電流。
本實施例的電晶體中，發射極3與基極5間和基極5與集電極7間形成的隧道結的結面積的大小為10000平方微米。
實施例5參考圖3a，製備一本發明的雙勢壘隧道結共振隧穿效應的自旋電晶體。
該雙勢壘隧道結共振隧穿效應的自旋電晶體，由一厚度為1mm的Si3N4材料作為襯底1，在Si3N4襯底1上形成一發射極3，該發射極3由厚度為15nm的反鐵磁性層Ir-Mn和厚度為8nm的La0.7Sr0.3MnO3半金屬材料層構成。該發射極3的磁化強度的方向是固定的；採用SrTiO3材料製作的第一隧道勢壘層4形成於發射極3之上；其第一隧道勢壘層4厚度為1.0nm。並在第一隧道勢壘層4之上形成一厚度為4nm的基極5，該基極5由La0.7Sr0.3MnO3半金屬材料層構成；其磁化強度的方向也是相對固定的，且與發射極3的磁化強度的方向平行。一個SrTiO3層形成於基極5之上，作為第二隧道勢壘層6，其第二隧道勢壘層6厚度為1.3nm；一個由矯頑力較小的Co2MnSi半金屬材料層製成的集電極7形成於第二隧道勢壘層6之上，厚度為4nm，該集電極7的磁化強度的方向相對自由，可隨外部磁場而發生改變；採用Pt或Au材料製作的一個導電保護層設置在發射極3、基極5和集電極7上，導電保護層8厚度為6nm。
這種雙勢壘隧道結自旋電晶體的運作原理類似於實施例4，圖7是這種電晶體的雙勢壘隧道結電子共振隧穿的示意圖。由於半金屬磁性材料具有高達100％的自旋極化率，當發射極3、基極5與集電極7的磁化強度的方向平行時，幾乎所有隧穿電子都隧穿到集電極7，此時集電極7有較大的電流通過。相反，當發射極3、基極5與集電極7的磁化強度的方向反向平行時，僅有很少的隧穿電子通過散射或其他作用隧穿到集電極7，此時集電極7有較小的電流通過。與前述實例一樣，也可以通過改變集電極7的磁化強度的方向，從而使隧穿電子在發射極3和集電極7間發生共振隧穿，在合適的條件下使集電極7得到放大的電流。
實施例6參考圖3a，製備一本發明的雙勢壘隧道結共振隧穿效應的自旋電晶體，它由一厚度為1mm的Si作襯底1，在Si襯底1上形成一層由SiO2構成500nm厚的絕緣層2，在絕緣層2上形成一發射極3，該發射極3由厚度為15nm的反鐵磁性層Ni-Mn和厚度為4nm摻Co的ZnO磁性半導體材料層構成。該發射極3的磁化強度的方向是固定的；採用ZrO2材料製作的第一隧道勢壘層4形成於發射極3之上；其第一隧道勢壘層4厚度為1.0nm。並在第一隧道勢壘層4之上形成一厚度為4nm的基極5，該基極5由摻Co的ZnO磁性半導體材料層構成；其磁化強度的方向是相對自由的，可隨外部磁場而發生改變；一個ZrO2層形成於基極5之上，作為第二隧道勢壘層6，其第二隧道勢壘層6厚度為1.3nm；一個由厚度為4nm摻Co的ZnO磁性半導體材料和厚度為15nm的反鐵磁性層Ni-Mn製成的集電極7形成於第二隧道勢壘層6之上，該集電極7的磁化強度的方向相對固定的，且與發射極3的磁化強度的方向是平行的；採用Pt或Ta材料製作的一個導電保護層設置在發射極3、基極5和集電極7上，導電保護層8厚度為6nm。
圖8是這種電晶體的雙勢壘隧道結電子共振隧穿的示意圖。與實施例4不同的是在實施例4中，通過改變集電極7的磁化強度的方向來改變集電極7的電流；而在本實施例中，由於發射極3和集電極7的磁化強度的方向是相對固定的，只有基極5的磁化強度的方向是自由的，因此，通過改變基極5的磁化強度的方向來改變集電極7的電流。其運作原理類似於實施例4。在此略去詳細工作過程。
實施例7參考圖3a，製備一本發明的雙勢壘隧道結共振隧穿效應的自旋電晶體，該電晶體由一厚度為1mm的GaAs作襯底1，在GaAs襯底1上形成一層由SiO2構成260nm厚的絕緣層2，在絕緣層2上形成一發射極3，該發射極3由厚度為10nm的反鐵磁性層Ir-Mn和厚度為8nm的硬脂酸錳有機磁性材料層構成。該發射極3的磁化強度的方向是固定的；採用Al2O3材料製作的第一隧道勢壘層4形成於發射極3之上；其第一隧道勢壘層4厚度為1.0nm。並在第一隧道勢壘層4之上形成一厚度為4nm的基極5，該基極5由硬脂酸錳有機磁性材料層構成；其磁化強度的方向是相對自由的，可隨外部磁場而發生改變；一個Al2O3層形成於基極5之上，作為第二隧道勢壘層6，其第二隧道勢壘層6厚度為1.3nm；一個由厚度為4nm的硬脂酸錳有機磁性材料層和厚度為10nm的反鐵磁性層Ir-Mn製成的集電極7形成於第二隧道勢壘層6之上，該集電極7的磁化強度的方向相對固定的，且與發射極3的磁化強度的方向是平行的；採用Pt或Ta材料製作的一個導電保護層設置在發射極3、基極5和集電極7上，導電保護層8厚度為6nm。
其運作原理類似於實施例6。在此略去詳細工作過程。
實施例8參考圖3a，製備一本發明的雙勢壘隧道結共振隧穿效應的自旋電晶體，該自旋電晶體由一厚度為1mm的GaAs作襯底1，在GaAs襯底1上形成一層由SiO2構成400nm厚的絕緣層2，在絕緣層2上形成一發射極3，該發射極3由厚度為10nm的反鐵磁性層Ir-Mn、4nm的Co-Fe、0.9nm的Ru和厚度為4nm的Co-Fe-B磁性材料層構成，該發射極3的磁化強度的方向是固定的；採用MgO材料製作的第一隧道勢壘層4形成於發射極3之上；其第一隧道勢壘層4厚度為1.8nm。並在第一隧道勢壘層4之上形成一厚度為4nm的基極5，該基極5由Co-Fe-B磁性材料層構成；其磁化強度的方向是相對自由的，可隨外部磁場而發生改變；一個MgO層形成於基極5之上，作為第二隧道勢壘層6，其第二隧道勢壘層6厚度為2.5nm；一個由厚度為4nm的Co-Fe-B磁性材料層、0.9nm的Ru、4nm的Co-Fe和厚度為10nm的反鐵磁性層Ir-Mn製成的集電極7形成於第二隧道勢壘層6之上，該集電極7的磁化強度的方向相對固定的，且與發射極3的磁化強度的方向是平行的；採用Pt或Ta材料製作的一個導電保護層設置在發射極3、基極5和集電極7上，導電保護層8厚度為6nm。
應當注意的是，其中Co-Fe/Ru/Co-Fe-B為人工合成反鐵磁性材料，本實施例採用反鐵磁性材料Ir-Mn和Co-Fe/Ru/Co-Fe-B人工反鐵磁性材料來固定磁性層的磁化強度的方向，採用這種結構有利於提高交換偏置場，從而改善電晶體的性能。其運作原理類似於實施例6，在此略去詳細工作過程。
實施例9參考圖3b，製備一本發明的雙勢壘隧道結共振隧穿效應的自旋電晶體，該自旋電晶體是在由Si或GaAs半導體材料構成的基片1上，形成一層由二氧化矽(SiO2)，或其它Al2O3、Si3N4絕緣材料製成120nm厚的絕緣層2，此絕緣層用於隔離基極5與發射極3，該半導體基片充當發射極3；一個用Al2O3或MgO材料製作的第一隧道勢壘層4形成於發射極3之上，其厚度為1.0nm；並在第一隧道勢壘層4之上形成一個由厚度為6nm的Ni-Fe磁性材料層構成的基極5，該Ni-Fe層的磁化強度的方向是自由的，可隨外部磁場或電流引導發生改變；一個由Al2O3或MgO材料製作的第二隧道勢壘層6形成於基極5之上，其第二隧道勢壘層5厚度為1.6nm；一個由Co-Fe-Ni磁性材料製成的厚度為6nm的集電極7形成於第二隧道勢壘層6之上的，該層的磁化強度的方向由反鐵磁性層Fe-Mn釘扎而固定。一個採用Au或Pt材料製作的導電保護層8設置在發射極3、基極5和集電極7之上，厚度為6nm。
圖9是這種電晶體的雙勢壘隧道結電子共振隧穿的示意圖。該圖表示出了隧穿電子在基極5與集電極7的磁化強度的方向處於平行、反平行兩種狀態下的隧穿過程。在平行狀態時，發射極3中自旋方向與集電極7的磁化強度的方向相同的多數隧穿電子能隧穿過勢壘和中間基極5，而與集電極7的磁化強度的方向相反的少數自旋電子或被雜質散射引起自旋方向發生反轉的電子不能隧穿到集電極7，此時，集電極7有較大的電流通過；而在反平行狀態時，只有少數自旋方向與集電極7的磁化強度的方向相同的隧穿電子能隧穿到集電極7，而多數自旋方向與集電極7的磁化強度的方向相反的隧穿電子不能隧穿到集電極7，此時，集電極7有較小的電流通過。同時，由於集電極7的磁化強度的方向是固定的，而基極5的磁化強度的方向是可以隨磁場發生改變的，因此可以通過改變基極5的磁化強度的方向來改變集電極7的電流大小。其形成過程如下，基極5電流為調製信號，通過改變基極5的磁化強度的方向從而使集電極7的信號與基極5電流的調製模式相似，即發生共振隧穿效應，在合適的條件下，可得到放大的信號。
實施例10參考圖3b，製備一本發明的雙勢壘隧道結共振隧穿效應的自旋電晶體，該自旋電晶體在由Si或GaAs半導體材料構成的基片1上，形成一層由二氧化矽(SiO2)或類似材料製成360nm厚的絕緣層2；在絕緣層2形成由厚度為10nm的超導材料YBa2Cu3O7製成的發射極3；一個用Al2O3材料製作的第一隧道勢壘層4形成於發射極3之上，其厚度為1.0nm；並在第一隧道勢壘層4之上形成一個由厚度為3nm的Sm磁性材料層構成的基極5，該Sm層的磁化強度的方向是自由的，可隨外部磁場或電流引導發生改變；一個由Al2O3材料製作的第二隧道勢壘層6形成於基極5之上，其第二隧道勢壘層5厚度為1.6nm；一個由Gd-Y磁性材料製成的厚度為6nm的集電極7形成於第二隧道勢壘層6之上的，該層的磁化強度的方向由反鐵磁性層Pd-Mn或Rh-Mn釘扎而固定。一個採用Au或Ta材料製作的導電保護層8設置在發射極3、基極5和集電極7之上，厚度為5nm。
其運作原理類似於實施例9，在此略去詳細工作過程。
實施例11參考圖3c，製備一本發明的雙勢壘隧道結共振隧穿效應的自旋電晶體。
該雙勢壘隧道結共振隧穿效應的自旋電晶體，在由Si或GaAs半導體材料構成的基片1上，形成一層由二氧化矽(SiO2)或類似材料製成的絕緣層2，此絕緣層用於隔離基極5與集電極7，該半導體基片充當集電極7；一個用Al2O3或MgO材料製作的第一隧道勢壘層4形成於集電極7之上，其厚度為1.0nm；並在第一隧道勢壘層4之上形成一個由厚度為4nm的Ni-Fe磁性材料層構成的基極5，該Ni-Fe層的磁化強度的方向是自由的，可隨外部磁場或電流引導發生改變；一個由Al2O3或MgO材料製作的第二隧道勢壘層6形成於基極5之上，其第二隧道勢壘層5厚度為1.6nm；一個由Co-Fe磁性材料製成的厚度為6nm的發射極3形成於第二隧道勢壘層6之上的，該層的磁化強度的方向由反鐵磁性層Pt-Mn釘扎而固定。一個採用Au或Pt材料製作的導電保護層8設置在發射極3、基極5和集電極7之上，厚度為6nm。
其運作原理類似於實施例9，在此略去詳細工作過程。
實施例12參考圖3a，製備一本發明的雙勢壘隧道結共振隧穿效應的自旋電晶體。
該雙勢壘隧道結共振隧穿效應的自旋電晶體，在由GaN或GaAs半導體材料構成的基片1上，形成一層由二氧化矽(SiO2)或類似材料製成100nm厚的絕緣層2；在絕緣層2形成由厚度為10nm的非磁性金屬Cu製成的發射極3；一個用Al2O3或MgO材料製作的第一隧道勢壘層4形成於發射極3之上，其厚度為1.0nm；並在第一隧道勢壘層4之上形成一個由厚度為5nm的CrO2磁性材料層構成的基極5，該Ni-Fe層的磁化強度的方向是自由的，可隨外部磁場或電流引導發生改變；一個由Al2O3或MgO材料製作的第二隧道勢壘層6形成於基極5之上，其第二隧道勢壘層5厚度為1.6nm；一個由CrO2半金屬材料製成的厚度為6nm的集電極7形成於第二隧道勢壘層6之上的，該層的磁化強度的方向由反鐵磁性層Ni-Mn釘扎而固定。一個採用Au或Ta材料製作的導電保護層8設置在發射極3、基極5和集電極7之上，厚度為5nm。
實施例13參考圖3d，製備一本發明的雙勢壘隧道結共振隧穿效應的自旋電晶體。
在由InGaAs半導體材料構成的基片1上，形成由厚度為10nm的GaAs製成的基極5；採用Al2O3製作的第一隧道勢壘層4和6形成於基極5之上；用厚度為8nm的Co-Fe製成的發射極3和集電極7形成於第一隧道勢壘層4和6上，其厚度為6nm；採用光刻等微加工技術控制發射極3和集電極7結區的相對大小，使它們的反轉場不一樣，因而一個磁電極的磁化強度的方向相對固定而另一個磁電極則相對自由。一個採用Au材料製作的厚度為6nm的導電保護電極層8設置在發射極3、基極5和集電極7之上，其厚度為8nm。其中發射極3和集電極7之間的距離小於5微米。
實施例14參考圖3d，製備一本發明的雙勢壘隧道結共振隧穿效應的自旋電晶體，該自旋電晶體在一Si半導體材料構成的基片1上，形成由厚度為10nm的Co-Fe-B製成的基極5；採用MgO製作的第一隧道勢壘層4和6形成於基極5之上；由厚度15nm的反鐵磁材料Ir-Mn和厚度為6nm的La0.7Sr0.3MnO3製成的發射極3和集電極7形成於第一隧道勢壘層4和6上，反鐵磁材料Ir-Mn形成於La0.7Sr0.3MnO3之上；採用光刻技術控制發射極3和集電極7結區的相對大小。一個採用Au材料製作的厚度為6nm的導電保護電極層8設置在發射極3、基極5和集電極7之上，其厚度為8nm。其中在這種電晶體中，發射極3和集電極7之間的距離小於1微米。
實施例15參考圖3d，製備一本發明的雙勢壘隧道結共振隧穿效應的自旋電晶體，該自旋電晶體在一Si半導體材料構成的基片1上，形成由厚度為4nm的Co-Fe-B製成的基極5；採用AlN製作的第一隧道勢壘層4和6形成於基極5之上；由厚度15nm的反鐵磁材料NiO和厚度為6nm的La0.7Sr0.3MnO3製成的發射極3和集電極7形成於第一隧道勢壘層4和6上，反鐵磁材料NiO形成於La0.7Sr0.3MnO3之上；採用光刻等微加工技術控制發射極3和集電極7結區的相對大小。一個採用Au材料製作的厚度為6nm的導電保護電極層8設置在發射極3、基極5和集電極7之上，其厚度為8nm。
實施例16參考圖3d，製備一本發明的雙勢壘隧道結共振隧穿效應的自旋電晶體，該自旋電晶體在一InAs半導體材料構成的基片1上，形成由厚度為4nm的Co-Fe-B製成的基極5；採用EuS製作的第一隧道勢壘層4和6形成於基極5之上；由厚度15nm的反鐵磁材料NiO和厚度為4nm的Mn摻雜HfO2磁性半導體製成的發射極3和集電極7形成於第一隧道勢壘層4和6上，反鐵磁材料CoO形成於Mn摻雜HfO2磁性半導體材料之上；採用光刻等微加工技術控制發射極3和集電極7結區的相對大小。一個採用Au材料製作的厚度為6nm的導電保護電極層8設置在發射極3、基極5和集電極7之上，其厚度為8nm。
雖然已結合附圖對本發明進行了充分的描述，但需要注意，對於本領域的普通技術人員來說，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明的範疇之外，它們都應被包括在本發明之中。
權利要求
1.一種基於雙勢壘隧道結共振隧穿效應的電晶體包括一襯底(1)、發射極(3)、基極(5)、集電極(7)和第一隧道勢壘層(4)，第一隧道勢壘層(4)設置在發射極(3)和基極(5)之間；其特徵在於，還包括第二隧道勢壘層(6)；該第二隧道勢壘層(6)在基極(5)與集電極(7)之間；並且發射極3與基極(5)間和基極(5)與集電極7間形成的隧道結的結面積的大小為1平方微米～10000平方微米；所述的基極(5)的厚度與該層材料的電子平均自由程可比擬；所述的發射極(3)、基極(5)和集電極(7)中有且僅有一極的磁化強度的方向是自由的。
2.按權利要求1所述的基於雙勢壘隧道結共振隧穿效應的電晶體，其特徵在於，所述的襯底(1)包括由絕緣材料或非絕緣材，或半導體材料製成；其襯底(1)的厚度為0.3mm到5mm；所述的絕緣材料包括Al2O3，SiO2和Si3N4；所述的非絕緣材料包括Cu，或Al；所述的半導體材料包括Si、Ga、GaN、GaAs、GaAlAs、InGaAs或InAs。
3.按權利要求2所述的基於雙勢壘隧道結共振隧穿效應的電晶體，其特徵在於，當襯底(1)為非絕緣材料或半導體材料時，還包括在襯底上設置一絕緣材料層(2)，該絕緣材料層(2)的厚度為10～500nm；所述的絕緣材料層(2)包括Al2O3或Si3N4；其厚度為50～500nm。
4.按權利要求1或3所述的基於雙勢壘隧道結共振隧穿效應的電晶體，其特徵在於，還包括一個導電保護層(8)，該導電保護層(8)設置在發射極(3)、基極(5)和集電極(7)上，該導電保護層(8)包括金、鉑、銀、鋁、鉭或抗氧化金屬導電材料製作，其厚度為0.5～10nm。
5.按權利要求1、3或4所述的基於雙勢壘隧道結共振隧穿效應的電晶體，其特徵在於，所述的發射極(3)、基極(5)或集電極(7)包括用鐵磁性材料、半金屬磁性材料、磁性半導體材料、有機磁性材料、半導體材料、非磁性金屬材料製作；所述的發射極(3)還包括Nb金屬和YBa2Cu3O7超導材料製作，其發射極(3)、基極(5)或集電極(7)厚度為2nm～20nm。
6.按權利要求5所述的基於雙勢壘隧道結共振隧穿效應的電晶體，其特徵在於，所述的鐵磁性材料包括Fe、Co、Ni的3d過渡族磁性金屬；Sm、Gd或Nd稀土金屬；Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe或Gd-Y鐵磁性合金。
7.按權利要求5所述的基於雙勢壘隧道結共振隧穿效應的電晶體，其特徵在於，所述的半金屬磁性材料包括Fe3O4、CrO2、La0.7Sr0.3MnO3或Co2MnSi的Heussler合金。
8.按權利要求5所述的基於雙勢壘隧道結共振隧穿效應的電晶體，其特徵在於，所述的磁性半導體材料包括Fe、Co、Ni、V、Mn摻雜的ZnO、TiO2、HfO2或SnO2，也包括Mn摻雜的GaAs、InAs、GaN或ZnTe。
9.按權利要求5所述的基於雙勢壘隧道結共振隧穿效應的電晶體，其特徵在於，所述的有機磁性材料包括二茂金屬高分子有機磁性材料或硬脂酸錳。
10.按權利要求5所述的基於雙勢壘隧道結共振隧穿效應的電晶體，其特徵在於，所述的非磁性材料包括Au、Ag、Pt、Cu、Ru、Al、Cr或及其合金。
11.按權利要求5所述的基於雙勢壘隧道結共振隧穿效應的電晶體，其特徵在於，所述的半導體包括Si、Ga、GaN、GaAs、GaAlAs、InGaAs或InAs。
12.按權利要求1或4所述的基於雙勢壘隧道結共振隧穿效應的電晶體，其特徵在於，所述的第一隧道勢壘層(4)和第二隧道勢壘層(6)由絕緣材料製成，該絕緣材料包括金屬氧化物絕緣膜、金屬氮化物絕緣膜、有機或無機材料絕緣膜、類金剛石薄膜、或EuS；第一隧道勢壘層的厚度為0.5～3.0nm；第二隧道勢壘層的厚度為0.5～4.0nm；其中兩個隧道勢壘層的厚度和材料可以相同或者不相同。
13.按權利要求12所述的基於雙勢壘隧道結共振隧穿效應的電晶體，其特徵在於，所述的金屬氧化物絕緣膜和金屬氮化物絕緣膜的金屬選自Al、Ta、Zr、Zn、Sn、Nb、Ga或Mg的金屬元素。
14.按權利要求6所述的基於雙勢壘隧道結共振隧穿效應的電晶體，其特徵在於，所述的鐵磁性的磁化強度的方向可由反鐵磁性層釘扎，該反鐵磁性層由Ir、Fe、Rh、Pt或Pd與Mn的合金材料製成，或CoO、NiO或PtCr的反鐵磁性材料構成。
全文摘要
本發明涉及基於雙勢壘隧道結共振隧穿效應的電晶體包括襯底、發射極、基極、集電極和第一和第二隧道勢壘層；其中第一隧道勢壘層設置在發射極和基極之間，第二隧道勢壘層在基極與集電極之間；並且發射極與基極間和基極與集電極間形成的隧道結的結面積的大小為1平方微米～10000平方微米；基極的厚度與該層材料的電子平均自由程可比擬；發射極、基極和集電極中有且僅有一極的磁化強度的方向是自由的。由於採用雙勢壘結構，克服了由於基極與集電極之間產生的肖特基勢。其中，基極電流為調製信號，通過改變基極或集電極的磁化強度的方向，使集電極的信號與基極電流的調製模式相似，即發生共振隧穿效應，在合適的條件下可得到放大的信號。
文檔編號H01L29/88GK1753187SQ20051006434
公開日2006年3月29日 申請日期2005年4月14日 優先權日2004年9月24日
發明者曾中明, 韓秀峰, 杜關祥, 魏紅祥, 李飛飛, 詹文山 申請人:中國科學院物理研究所