專利名稱：自旋晶體管的制作方法
技術領域：
本發明是關于一種晶體管，特別是關于一種應用電子自旋特性的自旋晶體管(spin transistor，or magneto transistor)。
背景技術：
自旋晶體管為新一代的電子組件，利用電子的自旋特性與外加磁場作用來控制電流流量，進而產生類似傳統晶體管的效應。電子的自旋特性具有上旋與下旋(spin up and spin down)兩種自旋狀態，因此利用電子自旋特性的組件將比傳統組件只利用電子電荷有更多的控制參數及使得電路設計更有彈性。
目前所開發的自旋晶體管為雙勢壘(barrier)自旋晶體管結構，在晶體管中提供兩種勢壘并結合磁電阻組件，利用自旋電子在磁電阻組件中不同磁矩排列狀態的情況下通過勢壘與否，來產生磁電流變化。如1995年Monsma所提出的自旋晶體管架構與制程，是將兩片摻雜n型離子之硅基板以面對面方式真空黏著分別作為發射極與集電極，中間夾一個金屬自旋閥(spin valve)做為基極(base)，自旋閥的材料為鉑(Pt)/鈷(Co)/銅(Cu)/鈷(Co)。晶體管的發射極/基極及基極/集電極均為肖特基勢壘(Schottky barrier)接面結構。在發射極/基極施加順向偏壓，則電子從硅基板跨過勢壘注入基極成為熱電子。而熱電子的傳送將受到自旋閥中的兩鈷層磁化方向是否相同的影響，當兩鈷層磁化方向相反，不論是自旋向上或自旋向下的電子均受到阻礙，通過的電流較小。當兩層鈷層的磁化方向平行，此時自旋向上的電子通過的機率增加，電流增大。此組件的優點為可以在室溫達到200％以上的磁電流變化率，但是輸出電流非常小，使其用途受到限制，且由于制作較困難，組件結構難以微小化。
另一種雙勢壘的自旋晶體管結構是由Mizushima在1995年提出，是在作為集電極的n型砷化鎵(GaAs)基板上制作一磁電阻組件作為基極，由鋁氧化而成的氧化鋁作為一勢壘，并在氧化鋁上鍍上金屬作為發射極。此結構雖可解決制作過程中的問題，使組件較易小型化，且在低溫下磁電流變化率可達3400％。但是砷化鎵基板的成本昂貴，氧化鋁金屬層所產生的氧化鋁層的均一性不容易控制，同時，為防止破壞氧化鋁層，需使用較小的輸入電流導致輸出電流也無法提高，且此結構在低溫下才能達到良好的磁電流變化率。
為提高雙勢壘自旋晶體管結構的操作溫度，于2002年Parkin設計出一種新的磁隧道晶體管(magnetic tunnel transistor)，可以在室溫下操作，并達到1微安培(μA)的輸出及磁電流變化率可以大到64％。此結構是在作為集電極的n型砷化鎵基板上成長一層3納米(nm)的鐵鈷合金層(Co84Fe16)作為基極，再在其表面成長一層鋁金屬層并氧化成為氧化鋁層，在氧化鋁層上形成5納米(nm)的鐵鈷合金層(Co84Fe16)作為發射極。其特點是在發射極上蒸鍍反鐵磁的銥錳合金層(Ir22Mn78)作為釘扎層，可以將發射極的磁化方向釘住(pinned)，上面再覆蓋一層5納米的鉭(Ta)金屬層。再控制適當的外加磁場，即可以僅改變基極的磁化方向，但不影響發射極的磁化方向，如此，即可控制入射電子的自旋方向。但是此方法同樣有砷化鎵基板的成本昂貴，氧化鋁金屬層所產生的氧化鋁層的均一性不容易控制的問題，而且要達到較佳的磁電流變化率，需要品質良好的鍍層來組成高電流變化率的磁電阻組件，在制造上具有相當大的難度。
發明內容
本發明提供一種自旋晶體管，以磁電阻組件作為發射極，并利用提供單一勢壘的被動組件作為集電極，基極形成于兩者之間，再結合基極電阻使集電極工作點產生飄移。由單一勢壘結構能有效地增加通過勢壘的磁電阻電流的變化率，并提高輸出電流。
本發明的自旋晶體管含有發射極、集電極、基極與基極電阻，發射極為磁電阻組件，分別在不同外加磁場的情況下提供不同電阻；集電極為被動組件，提供單一勢壘；基極間隔于發射極與集電極之間，分別電性導通于發射極與集電極；基極電阻連接于基極以提供偏壓。磁電阻組件可經由外加磁場的控制，而產生高電阻與低電阻，故可于固定電壓之下產生不同大小的發射極電流，使得在不同外加磁場的情形下，通過被動組件的勢壘的集電極電流也隨之產生變化。而連接在基極的基極電阻可根據不同外加磁場而產生不同的偏壓(bias)，使集電極工作點產生飄移，此一作用可更增加集電極電流的變化率。
其中，磁電阻組件可包含鐵磁層，并直接與集電極連接。如此，即利用磁電阻組件所包含的鐵磁層作為基極，使發射極與基極組成磁電阻組件，并與集電極之被動組件電性導通。
為使對本發明的目的、構造特征及其功能有進一步的了解，配合附圖詳細說明如下
圖1為本發明實施例之自旋晶體管結構示意圖；圖2為自旋晶體管的集電極電流變化率測量電路示意圖；圖3為穿隧式磁電阻組件的自旋晶體管的電流變化率測量結果圖；圖4為穿隧式磁電阻組件的自旋晶體管的電流變化率測量結果圖；圖5為自旋閥磁電阻組件的自旋晶體管的電流變化率測量結果圖；及圖6為自旋閥磁電阻組件的自旋晶體管的電流變化率測量結果圖。
其中，附圖標記110 發射極120 基極121 基極電阻130 集電極131 歐姆接觸層140 發射極電壓150 基極電壓160 安培計具體實施方案參考圖1，其為本發明第一實施例的自旋晶體管結構示意圖，包含發射極110、基極120、基極電阻121、集電極130與歐姆接觸層131，發射極110為由磁性多層膜所形成的磁電阻組件，以分別在有外加磁場或無外加磁場的情況下，提供不同的電阻；集電極130為含p-n接面之p-n基板，用以提供單一勢壘，并在集電極上鍍金以作為歐姆接觸層131；基極120間隔在發射極110與集電極130之間，以分別連接于發射極110與集電極130；基極電阻121則連接于基極120。其中，磁電阻組件可為穿隧式磁電阻組件、自旋閥磁電阻組件、巨磁電阻組件和沖擊式磁電阻組件等任何因為磁場改變而改變其電阻值的磁電阻組件，被動組件除了p-n二極管也可選擇肖特基二極管或其它二極管，如p-i-n二極管、平面摻雜勢壘二極管(planar-doped-barrier diode)、隧道二極管(tunnel diode)、共振穿遂二極管(resonant-tunneling diode)、共振能帶間穿遂二極管(resonant-interband-tunneling diode)、單勢壘穿遂二極管(single-barrier tunnel diode)、單勢壘能帶間穿遂二極管(single-barrierinterband-tunneling diode)、實空間傳導二極管(real-space-transferdiode)、異質結構熱電子二極管(heterostructure hot-electron diode)、撞擊電離雪崩渡時二極管(impact-ionization-avalanche transit-timediode)、能障注入渡時二極管(barrier-injection transit-time diode)、p-i-n光二極管(p-i-n photodiode)、肖特基光二極管(Schottky-barrierphotodiode)及雪崩光二極管(avalanche photodiode)等任意被動組件。
自旋晶體管的集電極電流變化率需經測量得知，參考圖2，其為自旋晶體管的集電極電流變化率測量電路示意圖，分別于發射極110端與基極120端提供發射極電壓源與基極電壓源，以提供發射極電壓(VE)140與基極電壓(VB)150，并以安培計160測量輸出的集電極130電流。輸入的發射極110電流為發射極110至基極120間的電壓(VEB)除以磁電阻組件的電阻。因此，根據在不同外加磁場的情況下，磁電阻組件將提供不同電阻，進而產生不同的輸入電流，得到相應的輸出電流。
由于本發明的自旋晶體管為單一勢壘(single potential barrier)結構，不但簡化整體的自旋晶體管結構，使各組件的制作都可整合至半導體的制作過程，可將發射極、基極與集電極整合制作于一基板上，此基板可為半導體基板，如硅基板或砷化鎵基板，也可使用塑料或玻璃基板。此結構也可大幅增加輸入電流，使輸出電流相應提升，進而增進集電極電流變化率。
為實際驗證本發明的自旋晶體管的室溫電流變化率，以穿隧式磁電阻組件作為本發明實施例中的磁電阻組件進行室溫電流變化率的測量，穿隧式磁電阻組件是由第一鐵磁層、絕緣層、第二鐵磁層層迭形成，第一鐵磁層接合于被動組件，同時作為自旋晶體管的基極。以2000歐姆(Ω)的基極電阻，600毫伏特(mV)的發射極電壓以及0伏特的基極電壓作為實驗的測量參數；其電流變化率的結果如圖3所示，其發射極電流由91.5降至83.6納安培，電流變化率可達9.45％；集電極電流由46.6降至41.3納安培，電流變化率可達12.8％。將基極電阻提高至100000歐姆(Ω)，發射極電壓為65毫伏特(mV)以及0伏特的基極電壓進行測量；其電流變化率的結果如圖4所示，其發射極電流由97.8降至90.6納安培，電流變化率可達13.6％；集電極電流由80.3降至74.8納安培，電流變化率可達7.5。由此可知，通過改變基極電阻、發射極電壓與基極電壓，可改變自旋晶體管的磁電流變化率。
再以自旋閥磁電阻組件作為本發明實施例中的磁電阻組件進行室溫電流變化率的測量，自旋閥磁電阻組件是間隔基極與被動組件接合。以100歐姆(Ω)的基極電阻，1.26伏特的發射極電壓以及0伏特的基極電壓作為實驗的測量參數；其電流變化率的結果如圖5所示，其發射極電流由5.15毫安降至5.03毫安，電流變化率可達2.28％；基極電流由4.68毫安降至4.61毫安，電流變化率可達1.52％；集電極電流由0.46降至0.41毫安，電流變化率可達11％。將發射極電壓調整為1伏特，維持100歐姆(Ω)的基極電阻以及0伏特的基極電壓；其電流變化率的結果如圖6所示，其發射極電流由3.988毫安降至3.922毫安，電流變化率可達1.716％；基極電流由3.964毫安降至3.906毫安，電流變化率可達1.502％；集電極電流由20微安培降至10.28微安培(μA)，電流變化率可達94.55％。
綜上所述，本發明的自旋晶體管具有較大的輸出電流與電流改變率，可在室溫下得到此結果。并可通過調整發射極電壓、基極電壓與基極電阻來改變輸出電流、電流變化率與電流增益，使得自旋晶體管應用范圍更加廣泛。
當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發明所附的權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種自旋晶體管，其特征在于，其包含有一發射極，為一磁電阻組件，在不同外加磁場的情況下提供不同電阻；一集電極，為一被動組件，用以提供一勢壘；一基極，間隔于該發射極與該集電極之間，該發射極與該集電極透過該基極形成電性導通；及一基極電阻，連接于該基極以提供一偏壓。
2.根據權利要求1所述的自旋晶體管，其特征在于，該磁電阻組件是由磁性多層膜所形成。
3.根據權利要求1所述的自旋晶體管，其特征在于，該磁電阻組件是選自穿隧式磁電阻組件、自旋閥磁電阻組件、巨磁電阻組件與沖擊式磁電阻組件所組成的族群其中之一。
4.根據權利要求1所述的自旋晶體管，其特征在于，該被動組件是選自一二極管及一電阻其中之一。
5.根據權利要求4所述的自旋晶體管，其特征在于，該二極管選自p-n二極管、p-i-n二極管、肖特基二極管、平面摻雜位障二極管、隧道二極管、共振穿遂二極管、共振能帶間穿遂二極管、單勢壘穿遂二極管、單勢壘能帶間穿遂二極管、實空間傳導二極管、異質結構熱電子二極管、撞擊電離雪崩渡時二極管、能障注入渡時二極管、p-i-n光二極管、肖特基光二極管及雪崩光二極管。
6.根據權利要求1所述的自旋晶體管，其特征在于，其包含一歐姆接觸層。
7.根據權利要求6所述的自旋晶體管，其特征在于，該歐姆接觸層連接于該集電極，以提供對外的電性導通。
8.根據權利要求1所述的自旋晶體管，其特征在于，該發射極、基極與集電極設置于一基板。
9.根據權利要求8所述的自旋晶體管，其特征在于，該基板選自硅基板與砷化鎵基板所組成的族群其中之一。
10.根據權利要求8所述的自旋晶體管，其特征在于，該基板為塑料基板。
11.根據權利要求8所述的自旋晶體管，其特征在于，該基板為玻璃基板。
12.一種自旋晶體管，其特征在于，其包含有一集電極，為一被動組件，用以提供一勢壘；一發射極與一基極，形成一磁電阻組件，以分別于不同外加磁場的情況下提供不同電阻，該基極間隔于該發射極與該集電極之間，該發射極與該集電極透過該基極形成電性導通；及一基極電阻，連接于該基極以提供一偏壓。
13.根據權利要求12所述的自旋晶體管，其特征在于，該磁電阻組件由一磁性多層膜所形成。
14.根據權利要求13所述的自旋晶體管，其特征在于，該磁性多層膜包含一鐵磁層，鄰接于該集電極，該鐵磁層用來作為該基極。
15.根據權利要求12所述的自旋晶體管，其特征在于，該磁電阻組件選自穿隧式磁電阻組件、自旋閥磁電阻組件、巨磁電阻組件與沖擊式磁電阻組件所組成的族群其中之一。
16.根據權利要求12所述的自旋晶體管，其特征在于，該被動組件選自一二極管及一電阻其中之一。
17.根據權利要求16所述的自旋晶體管，其特征在于，該二極管選自p-n二極管、p-i-n二極管、肖特基二極管、平面摻雜勢壘二極管、隧道二極管、共振穿遂二極管、共振能帶間穿遂二極管、單勢壘穿遂二極管、單勢壘能帶間穿遂二極管、實空間傳導二極管、異質結構熱電子二極管、撞擊電離雪崩渡時二極管、能障注入渡時二極管、p-i-n光二極管、肖特基光二極管及雪崩光二極管。
18.根據權利要求12所述的自旋晶體管，其特征在于，其包含一歐姆接觸層，連接于該集電極以提供對外的電性導通。
19.根據權利要求12所述的自旋晶體管，其特征在于，該發射極、基極與集電極設置于一基板。
20.根據權利要求19所述的自旋晶體管，其特征在于，該基板選自硅基板與砷化鎵基板所組成的族群其中之一。
21.根據權利要求19所述的自旋晶體管，其特征在于，該基板為塑料基板。
22.根據權利要求19所述的自旋晶體管，其特征在于，該基板為玻璃基板。
全文摘要
一種自旋晶體管，是利用單一勢壘結構，來提高通過勢壘的磁電阻電流的變化率，其含有發射極、集電極、基極與基極電阻。發射極為磁電阻組件，在不同外加磁場的情況下可提供不同電阻，集電極為被動組件，用以提供單一勢壘，基極是間隔于發射極與集電極之間，分別電性導通于發射極與集電極，基極電阻則連接于基極以提供偏壓。
文檔編號H01L29/66GK1761069SQ20041008048
公開日2006年4月19日 申請日期2004年10月11日 優先權日2004年10月11日
發明者黃瀛文, 盧志權, 謝藍青, 姚永德, 黃得瑞, 朱朝居 申請人:財團法人工業技術研究院