專利名稱：一種雙柵自旋場效應晶體管的制作方法
技術領域：
本發明涉及納米自旋場效應管領域，尤其是對彈道輸運、散射輸運時器件的性能的對比。
背景技術：
電子除了攜帶電荷之外，還有另一個重要內稟屬性:自旋。但長期以來，僅僅利用了電子的電荷這一稟性，自旋這個重要屬性卻常常被忽略。自旋這一新的自由度的加入，豐富了研究內容，為大量新型量子器件的誕生提供了新的源泉。電子的自旋通常有兩種取向:自旋向上和自旋向下。在傳統的金屬電子學中，因為在非磁性的金屬中，自旋向上和自旋向下的電子數是相等的，此時自旋極化率為O，被稱為電子自旋簡并，所以不存在凈磁矩，因此無法利用自旋來實現各種功能，正是由于這個原因，電子的自旋屬性被長期忽略，導致在大多數應用中沒有被加以應用。而在磁性的金屬中，由于存在交換作用，不同的自旋取向的兩個子帶產生一定的相對位移，即交換劈裂，因此此時的自旋極化率不再為O。因為半金屬鐵磁(HMF)的自旋極化率很高，所以HMF常常被作為自旋注入的材料。1990年Datta和Das首次提出了利用電子自旋特性的新型電子器件——自旋場效應晶體管(spinFET)，Datta和Das提出的spinFET是一個分水嶺，是第一次利用自旋這個自由度以容易處理的方法來處理信息。從此人們開始對自旋電子器件給予廣泛的關注。其基本結構是由一個電子自旋的高遷移率晶體管組成，它主要是準一維體系下研究電子的自旋輸運。兩端分別為源極和漏極，源極和漏極是由鐵磁材料構成，分別作為spinFET的自旋極化端和檢測段。源極與漏極之間是一個由門電壓控制的狹窄的半導體溝道。自旋極化電子由源極進入半導體的入射方向與傳輸的方向是平行的，電子在通過溝道時，其自旋極化方向在運動的過程中是不斷變化的，因此由于柵壓的作用，電子到達漏極時自旋的方向有可能已經發生了翻轉或者進動。柵壓會產生一個磁場，這個磁場是由Rashba自旋軌道相互作用產生的，它的方向與外加電場的方向以及電子運動的方向都垂直，通過調節外加柵壓可以控制Rashba自旋軌道耦合的強度α，進而可以控制電子在溝道里進動的角度，電子最終以一定的概率進入漏極(取決于進動的角度)，因此通過改變柵壓的方法可以調節源極到漏極間自旋電流的大小。由Datta和Das所提出的spinFET的原理可以看出，要想實現spinFET首先需要自旋的有效注入和探測。Datta和Das提出的這個模型要求的條件比較苛刻，比如:較長的自旋馳豫時間、較高的鐵磁體到半導體的自旋注入效率以及門電壓控制的 Rashba 自旋軌道稱合強度等[S.Datta, B.Das.Electronic analog of theelectro-optic modulator [J].App1.Phys.Lett, 1990; 56: 665-667.]。后來提出的很多自旋晶體管都是在此基礎上產生的。英國劍橋大學的J5rg Wunderlich和美國得克薩斯A&M大學物理學家的JairoSinova等人研制出了首個能在高溫條件下工作的spinFET,這個突破必將為整個半導體納米電子學帶來新氣象[Jorg Wunderlich, Byong-Guk Park, Jairo Sinova, etal.SpinHall effect transistor[J].Science , 2010; 330 (6012): 1801-1804.]。電子具有波粒二象性，當在量子力學的范疇里，電子可以被看作一個波。在彈道輸運里，左右電極看作理想的吸收器，從兩極注入的電子不會再返回器件里，而且滿足相位相干的條件。在散射輸運里，由于散射的作用，電子的波函數不再相位相干，此時非平衡格林函數的方法常常被用于此計算。
發明內容
技術問題:本發明提出了一種雙柵的自旋場效應晶體管結構。由于目前國內外對spinFET的仿真還處于起步階段，且目前很少有文獻涉及這類場效應管電學特性的研究，為揭示納米尺度該類器件的量子輸運特性，本發明在非平衡格林函數(NEGF)框架下，對該器件的電學特性進行了數值模擬，分別在彈道輸運和散射輸運去情況下計算它們能級分布、1-V特性、磁阻比率等電學特性，并把散射輸運和彈道輸運的電學特性進行了比較分析。本發明對揭示該spinFET的輸運物理機制、改善spinFET器件結構性能提供理論依據。技術方案:在Datta和Das所提出spinFET的理論基礎上，并結合了最近國內外對spinFET的研究最新進展例如奧地利維也納工業大學微電子研究所的D.0sintsev等人研究InAs/Si自旋場效應管時發現，如果溫度不變，柵壓會改變自旋軌道耦合強度，進而影響隧穿磁電阻；如果柵壓不變，隨著溫度的增加，隧穿磁電阻會急劇減小[Hyun CheolKoo, Jonghwa Eom, Joonyeon Chang, Suk-Hee Han.A spin field effect transistorusing stray magnetic fields [J].Solid-State Electronics,53 (2009):1016 - 101
9.];韓國科學技術研究所的Hyun Cheol Koo等人提出了使用雜散磁場產生的一種新型spinFET,這種spinFET自旋極化電子是通過源極的塞曼分列效應產生的，自旋的選擇性傳輸是通過漏極的自旋過濾效果獲得[D.0sintsev, V.Sverdlov, A.Makarov, andS.Selberherr.Ballistic Transport Properties of Spin Field-Effect TransistorsBuilt on Silicon and InAs Fins, the Electrochemical[J].Society, 2011, I (29):155-162.];解放軍理工大學的楊軍等人發現自旋場效應管的電導具有很好的開關特性，在有磁場時也呈現出明顯的磁開關特性[楊軍，蔣開明，葛傳楠，張俊男.自旋場效應晶體管的原理和研究進展[J].物理與工程，2009,(04).];華南理工大學的肖運昌通過研究界面勢壘對電子透射率振蕩變化的影響，發現一定角度入射的電子依然可以在半導體內形成共振隧穿，從而達到較強的透射情況，而電子的不同入射角度可以顯著影響其自旋輸運過程，在大于臨界角時，電子透射率呈現為衰減傳輸的模式[肖運昌.擴展型Datta-Das自旋場效應管量子輸運的理論研究[D].華南理工大學，2011.]。本發明的一種雙柵自旋場效應晶體管包括:位于同一軸線上的半金屬鐵磁、自旋隨機層、隧穿氧化層、導電溝道、源極和漏極，位于半金屬鐵磁、自旋隨機層、隧穿氧化層、導電溝道外周的柵氧化層、金屬柵和柵極；該場效應晶體管是一種雙柵結構，其中用硅作為導電溝道，該導電溝道位于中間，在導電溝道的兩旁為隧穿氧化層，在隧穿氧化層的兩旁為自旋隨機層，在自旋隨機層的兩旁為半金屬鐵磁，在半金屬鐵磁的兩旁分別為源極和漏極；柵氧化層環繞在半金屬鐵磁、自旋隨機層、隧穿氧化層、導電溝道外周，金屬柵位于柵氧化層的外周，柵極位于金屬柵上。導電溝道和金屬柵的長度相等；所述的源極和漏極均由導電金屬制作；導電溝道由硅構成；隧穿氧化層、柵氧化層由氧化鎂構成。有益效果:基于量子力學非平衡格林函數方法，首次研究了此spinFET器件在彈道輸運和散射輸運下的能帶結構、1-V特性、磁阻比率等電學特性，并把散射輸運和彈道輸運的電學特性進行了比較分析。結果表明，此器件有較大的磁阻比率，即該器件的磁控能力越強，即稍微改變其中一個的鐵磁磁矩的方向，輸出電流將會有較大的變化。這對器件控制輸出電流將會有很大的作用。該器件鐵磁平行條件下，考慮自旋散射時的輸出電流要比不考慮自旋散射時的輸出電流小，而在鐵磁反平行的條件下，結果則與鐵磁平行時的相反。這些數值結果對器件的優化等有一定的理論指導作用。
圖1為本發明結構示意圖。
具體實施例方式本發明研究的spinFET結構如圖1所示，它是一種雙柵結構，其中用硅作為導電溝道。器件基本參數為:自旋隨機層是為了使自旋電子提供一個隨機的自旋方向。自旋從鐵磁材料注入半導體的方法的實際效率通常是很低的，這是因為鐵磁與半導體之間的接觸存在固有電導率失配，這個問題可以通過增加隧穿氧化層方法來解決[S.Datta.Spin dephasing and 〃hot spins〃[J].Proceedings of the International School ofPhysics Fermi, 2005; 160: 1_28.]。金屬柵可以控制溝道里的電子，可以通過改變柵壓來控制輸出電流。該場效應管 包括:位于同一軸線上的半金屬鐵磁1、自旋隨機層2、隧穿氧化層3、導電溝道4、源極S和 漏極D，位于半金屬鐵磁1、自旋隨機層2、隧穿氧化層3、導電溝道4外周的柵氧化層5、金屬柵6和柵極G ;該場效應晶體管是一種雙柵結構，其中用硅作為導電溝道4，該導電溝道4位于中間，在導電溝道4的兩旁為隧穿氧化層3，在隧穿氧化層3的兩旁為自旋隨機層2，在自旋隨機層2的兩旁為半金屬鐵磁1，在半金屬鐵磁I的兩旁分別為源極S和漏極D ;柵氧化層5環繞在半金屬鐵磁1、自旋隨機層2、隧穿氧化層3、導電溝道4外周，金屬柵6位于柵氧化層5的外周，柵極G位于金屬柵6上。導電溝道4和金屬柵6的長度相等；所述的源極S和漏極D均由導電金屬制作；導電溝道4由硅構成；隧穿氧化層3、柵氧化層5由氧化鎂構成。由于該器件沿y方向是足夠大的，因此在考慮輸運問題時，波函數在y方向是重復的。我們用有效質量的方法來描述能帶結構，哈密頓量和薛定諤方程可以減少在縱截平面(r= (x, z))的Sturm-Liouville問題。如果忽略自旋弛豫則:
權利要求
1.一種雙柵自旋場效應晶體管，其特征在于該場效應管包括:位于同一軸線上的半金屬鐵磁(I)、自旋隨機層(2)、隧穿氧化層(3)、導電溝道(4)、源極(S)和漏極(D)，位于半金屬鐵磁(I)、自旋隨機層(2)、隧穿氧化層(3)、導電溝道(4)外周的柵氧化層(5)、金屬柵(6)和柵極(G);該場效應晶體管是一種雙柵結構，其中用硅作為導電溝道(4)，該導電溝道(4 )位于中間，在導電溝道(4 )的兩旁為隧穿氧化層(3 )，在隧穿氧化層(3 )的兩旁為自旋隨機層(2)，在自旋隨機層(2)的兩旁為半金屬鐵磁(1)，在半金屬鐵磁(I)的兩旁分別為源極(S)和漏極(D);柵氧化層(5)環繞在半金屬鐵磁(I)、自旋隨機層(2)、隧穿氧化層(3)、導電溝道(4)外周，金屬柵(6)位于柵氧化層(5)的外周，柵極(G)位于金屬柵(6)上。
2.根據權利要求1所述的一種雙柵自旋場效應晶體管，其特征在于導電溝道(4)和金屬柵(6)的長度相等；所述的源極(S)和漏極(D)均由導電金屬制作；導電溝道(4)由硅構成；隧穿氧化層(3)、柵氧化層(5)由氧化鎂構成。
全文摘要
本發明公開了一種新型溝道為硅的一種雙柵自旋場效應晶體管，該場效應管包括位于同一軸線上的半金屬鐵磁(1)、自旋隨機層(2)、隧穿氧化層(3)、導電溝道(4)、源極(S)和漏極(D)，位于半金屬鐵磁(1)、自旋隨機層(2)、隧穿氧化層(3)、導電溝道(4)外周的柵氧化層(5)、金屬柵(6)和柵極(G)；分別在鐵磁平行與反平行的情況下，對兩種輸運下的輸出特性、轉移特性等電學特性對比分析，發現該器件擁有很高的磁阻比率，并且在鐵磁平行條件下，考慮自旋散射時的輸出電流要比不考慮自旋散射時的輸出電流小，而在鐵磁反平行的條件下，結果則與鐵磁平行時的結果相反。
文檔編號H01L29/10GK103077965SQ201310010499
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月11日 優先權日2013年1月11日
發明者王偉, 張華鑫, 王燕 申請人:南京郵電大學