一种自旋晶体管的制作方法

专利名称：一种自旋晶体管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种与自旋有关的固态开关及放大器件，更具体地涉及全金属性或半金属性的pnp、 npn型自旋晶体管器件。
技术背景以半导体pn结为基础的pnp、 npn型晶体管是半导体集成电路中的基本元 件，在半导体电子工业中有着广泛的应用。常见的半导体材料，其本征晶体导 电性很弱，而通过引入不同价态的杂质元素使得半导体材料成为以电子为主要 载流子的n型半导体或以空穴为主要载流子的p型半导体。将合适的p型和n 型半导体结合在一起，p型半导体和n型半导体之间的载流子由于存在电子浓 度差而相互扩散，导致界面附近形成以内建电场形式存在的自由载流子耗尽 层。内电场的建立将会阻碍半导体中的多数载流子的扩散，在外加偏压电场与 内电场方向相同时，将进一步阻碍多子的扩散，pn结呈现高电阻态；而外加 偏压电场与内电场方向相反时，内电场将被削弱或抵消，有利于多子的扩散， 此时pn结呈现低阻态。以此为基础，在pnp型晶体管(集电极、基极、发射极) 中，电子由基极进入，在电压的作用下流向发射极，其原理与pn结相同，形 成基极电流。与此同时，在集电极和发射极间加电压，由于基极存在导通电流， 电子处于非平衡态，且基极区很薄(几个微米至几十个微米)，基极区中的非 平衡态电子可以扰乱集电极与基极间的空间电荷区，使这个pn结中的电子顺 势流动，形成了电流的通路。由于集电极区空穴密度比基极区多上百倍，绝大 部分电子由此通过，所以其电流比基极电流大得多，而且是随基极电流成比例 增大，这样就形成了晶体管的放大效应。npn型晶体管的工作原理与此类似。已知的自旋晶体管器件，比如在1993年Johnson的文献1 " M. Johnson, Science 260(1993)320"中提出了一个由铁磁性金属发射极、 一个厚度小于自 旋扩散长度的非磁性金属基极和另一个铁磁性金属集电极组成的"铁磁性金 属/非磁性金属/铁磁性金属"三明治全金属自旋晶体管，但该结构不具有可加工性；因为非磁性金属层如果要小于自旋扩散长度，就必须小于100纳米，且 该结构为水平加工模式，要在小于100纳米的层上再覆盖一个栅极是非常困难 的，此外，由于不能一次性成膜，非磁性金属层的晶体生长结构无法控制，因 此会导致生产器件的不稳定。再比如IBM实验组提出了单势垒磁性隧道结自旋 晶体管，其结构为金属(发射极)/氧化铝/铁磁性金属(基极)/半导体材 料(集电极)；然而，由于基极与集电极之间的肖特基势使得此类晶体管存在 以下缺点(1)缺乏对基极一集电极间工作电压的有效控制；(2)在发射极 一基极间的电压较小时，存在较大的漏电电流；(3)集电极导通电流过小，导 致放大倍率不足。再比如2002年S.Yuasa的文献2 "S. Yuasa， Science 297(2002)234"中公开了在单势垒磁性隧道结中发现了自旋极化共振隧穿现 象，可以利用双势垒隧道结的共振隧穿效应制作共振隧穿自旋晶体管。该方法 虽可以克服上述现有技术中的问题，但由于所依赖工作的量子化能级取决于双 势垒隧道结中间层的厚度、各界面的接触和工作温度，从而导致量子化能级非 常难于控制，且加工十分困难。鉴于现有技术的不足，就需要有一种新的自旋晶体管，希望这种自旋晶体 管易于操控并且放大倍率高，最好还能够稳定工作于室温环境、具有抗辐射性。发明内容本发明的目的在于克服已有的自旋晶体管器件不易于操控、放大倍率低的 不足，从而提供一种易于操控、放大倍率高的自旋晶体管。为了实现上述目的，本发明提供一种自旋晶体管，包括发射极层、基极层 和集电极层；其特征是，还包括形成在所述发射极层和所述基极层之间的第一铁电体层，用于调节所述发射极层和所述基极层之间的空间电荷区的大小， 形成在所述基极层和所述集电极层之间的第二铁电体层，用于调节所述基极层 和所述集电极层之间的空间电荷区的大小，所述发射极层、所述基极层和所述 集电极层采用金属性或半金属性材料。由于本发明的自旋晶体管是完全基于PN结工作原理，所以易于操控；利 用铁电体层的绝缘层，调节金属性或半金属性材料间的空间电荷区的大小，有 效增强了其内建电场的强度，从而使本发明的自旋晶体管具有了普通半导体晶 体管的放大和整流特性；且自旋晶体管的导通和放大原理与半导体晶体管一致。进一步地，为了形成PNP型自旋晶体管，所述发射极层的材料为空穴型磁性金属性或半金属性材料，优选USrMnO等铁磁性的朽钛矿型锰氧化物材料、 Fe304或Cr02等，层厚度为5nm至1000nm;所述基极层的材料为电子型磁性金 属性材料，优选Fe、 Co、 Ni、稀土金属及Ni-Fe、 Co-Fe、 Co-Fe-B等磁性合 金材料或Heussler合金材料等，层厚度为3nm至100nm;所述集电极的材料 为空穴型磁性金属性或半金属性材料，优选LaSrMnO等铁磁性的钙钛矿型锰 氧化物材料、Fe'A或Cr02等，厚度为5nm至1000nm;所述第一铁电体层、 第二铁电体层的材料为铁电性绝缘体材料，优选铁电体绝缘材料ScTi03、 BaTi。3或PbTi03等，层厚度为5nm至100nm。进一步地，为了形成NPN型自旋晶体管，所述发射极层的组成材料为电子 型磁性金属性材料，优选Fe、 Co、 Ni、稀土金属及Ni-Fe、 Co-Fe、 Co-Fe-B 等磁性合金材料或Heussler合金等，层厚度为3rnn至100nm;所述基极层的 材料为空穴型磁性金属性或半金属性材料，优选LaSrMnO等铁磁性的钙钛矿 型锰氧化物材料、Fe304或Cr02等，层厚度为5nm至1000nm;所述集电极层 的材料为电子型磁性金属性材料，优选Fe、 Co、 Ni、稀土金属及Ni-Fe、 Co-Fe、 Co-Fe-B等磁性合金材料或Heussler合金等，层厚度为5nm至1000nm;所述 第一铁电体层、第二铁电体层的材料为铁电性绝缘体材料，优选铁电体绝缘材 料ScTi03、 BaTi03或PbTi。3等，层厚度为5nm至1000nm。进一步地，对于上述PNP型或者NPN型自旋晶体管，所述发射极层和所述 集电极层分别形成于所述基极层的两侧。进一步地，还可以是，对于上述PNP型或者NPN型自旋晶体管，所述发射 极层和所述集电极层形成于所述基极层的同一侧。进一步地，对于上述PNP型或者NPN型自旋晶体管，还包括分别形成在所 述发射极层、所述集电极层上的发射极钉扎层和集电极钉扎层，所述钉扎层的 材料为反铁磁性材料，优选Ir-Mn、 Fe-Mn、 Rh-Mn、 Pt-Mn或Pd-Mn等Mn的反 铁磁合金材料或CoO、 Ni0、 PtCr等反铁磁性材料，所述钉扎层厚度为10nm 至lOOnm;正如前面的技术方案所描述的，当所选用发射极层和集电极层具有 较大轿顽力时，即磁矩方向不易被外场所改变时，该发射极钉扎层和集电极钉 扎层可省略。进一步地，对于上述PNP型或者NPN型自旋晶体管，所述发射极层、基极层和集电极层的横截面为矩形、椭圆形或正六边形；或者，所述基极层和集电 极层的横截面具有镂空结构，所述镂空结构的横截面是矩形环、椭圆环或正六 边形环；或所述镂空结构的横截面是包含矩形镂空、椭圆形镂空或正六边形镂空的矩形、椭圆形或正六边形。进一步地，所述矩形环的内环的短边为10nm至100000nm，外环的短边为 20mn至200000nm，短边和长边的比值为1:1至1:5，环宽为10nm至100000nm;所述椭圆环的内环的短轴为10nm至100000nm，外环的短轴为20nm至 200000nm，短轴与长轴的比值为1: 1至1: 5，环宽为10nm至100000nm;所述正六边形环的内环的边长为10nm至IOOOOO醒，外环的边长为20nm 至200000nm，环宽为10nm至100000nm;所述矩形的短边为10nm至100000nm，短边和长边的比值为h 1至1: 5;所述椭圆形的短轴为10nm至lOOOOOnm，短轴与长轴的比值为1: 1至1: 5，所述椭圆形包括圆形；所述正六边形的边长为10nm至100000nm。进一步地，所述自旋晶体管是在衬底上形成的多层膜结构的晶体管，它还 包括分别布置于所述发射极层、所述基极层、所述集电极层的上方的所述发射 极层、基极层、集电极层的金属引线;所述衬底为半导体单晶晶片，优选SrTi03， Mg0或LaA103单晶晶片；当所述发射极层和所述集电极层分别形成于所述基 极层的两侧时，多层膜中位于最外侧的一层和所述衬底直接相连，所述发射极 层、基极层和集电极层的金属引线相互平行；当所述发射极层和所述集电极层 形成于所述基极层的同侧时，所述基极层和所述衬底直接相连，所述发射极层、 基极层和集电极层的金属引线相互平行。进一步地，所述衬底还可以是SOI CM0S晶体管衬底，在该衬底上还形成 有位线，字线以及所述发射极层、基极层和集电极层的金属引线；当所述发射 极层和所述集电极层分别形成于所述基极层的两侧时，多层膜中位于最外侧的 一层和所述SOI C0MS晶体管的漏极直接相连，所述位线与所述SOI C0MS晶体 管的源极连接，所述字线与所述S0I COMS晶体管的栅极连接，所述发射极的 金属引线与所述SOI C0MS晶体管的漏极连接，所述发射极金属引线布置于发 射极层的下方，所述基极、集电极金属引线布置于所述基极、集电极的上方，所述发射极、基极和集电极的金属引线相互平行；当所述发射极层和所述集电极层形成于所述基极层的同侧时，所述位线与所述SOI COMS晶体管的源极连 接，所述字线与所述SOI C0MS晶体管的栅极连接，所述基极金属引线与所述 SOI C0MS晶体管的漏极连接，所述基极金属引线布置于所述基极层的下方， 所述发射极、集电极金属引线布置于所述发射极层、集电极层的上方。所述的SOI CMOS晶体管衬底包括第一半导体材料层，以及依次生长于 其上的隐埋氧化层和第二半导体材料层；该第二半导体材料层由SOI CMOS晶 体管的漏极、栅极和源极构成；根据所使用的环境不同，可选用全耗尽型、双 栅型、抗高温型、抗脉冲型、抗高压型等多种类型的SOI CMOS晶体管衬底。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果本发明提供了具有无镂空或镂空结构的NPN或PNP型自旋晶体管，因而具 有如下的优点该自旋晶体管利用具有铁电性的绝缘层，调节磁性电子型金属性材料和磁 性空穴型金属性材料间的空间电荷区的大小，有效增强了其内建电场的强度； 从而使由磁性电子型金属性材料和磁性空穴型金属性材料构建的NPN、 PNP型 自旋晶体管具有了普通半导体晶体管的放大和整流特性；且自旋晶体管的导通 和放大原理与半导体晶体管一致。此外，所述自旋晶体管由于使用磁性材料， 其器件性能可被外磁场调制，并可在辐射环境和高温环境下使用，具有很强灵 活性和适用性。具体地来说，在现有的普通半导体材料晶体管中，输出的放大电流是与自 旋信息无关的；并且由于半导体材料中，载流子浓度小于金属材料，故载流子 运动速度较低，处理信息的速度较金属携带的自旋信息要慢很多。此外，由于 半导体器件载流子浓度小，故不能输出较大的放大电流，否则容易造成器件的 击穿，不具有物理上的过载保护功能；因此，也不具有抗辐射特性。在现有的 稀磁性半导体材料晶体管中，输出电流虽与自旋有关，但终究是半导体材料不 能有效解决上述其它半导体晶体管的固有缺陷；且该类型器件只能工作在低温 环境下。在现有的基于共振隧穿效应的自旋晶体管中，由于利用量子效应进行 调控，该类型器件的加工工艺十分复杂；量子能级间的跃迁与温度和外界环境 有关，故该类器件的有效工作温度区间很窄，且不具有抗辐射特性。故与现有技术相比，本发明由于采用了基于铁电体的全磁性金属性PN结架构的自旋晶体管单元，从原理上彻底解决了用金属性材料构建晶体管的难 题，极大的消除了漏电电流，并且在晶体管中引入了自旋相关性，保证了自旋 晶体在室温条件下的稳定操作和自旋信息的有效放大；此外，由于金属性材料 本身具有抗辐射特性，因此该设计可广泛应用于各种环境。该自旋晶体管从加 工工艺上使用了镂空状和无镂空状纳米加工技术，从而可以有效的降低工作电 流，减少功耗，便于集成于大规模电路中；并且由于纳米磁性材料的电流驱动 效应，在大电流下，该器件的基极层可实现磁矩反转，形成高阻态，自动降低 输出电流大小，再由反向电流或外加磁场初始化，可以回归原来正常的工作状 态，具有实现自动过载保护功能；最后，本发明自旋晶体管从材料上使用具有 磁性的金属性材料，从而可以获得较大的放大电流，在外磁场作用下可以调节 器件的放大倍率，进一步保证了器件的稳定性和灵活性。该自旋晶体管可以采 用SOI CMOS (绝缘体上硅CMOS晶体管)衬底形成功能单元，由于所述SOI CMOS 衬底具有对环境依赖性小、抗辐射、耐高温等特性，更增强了本发明自旋晶体 管的环境适应性，拓展了其应用范围。


图1A为本发明提供的一种发射极层和集电极层分别形成于基极层的两侧的自旋晶体管的核心结构剖面图；图IB为本发明提供的一种发射极层和集电极层形成于基极层的同一侧的自旋晶体管的核心结构剖面图；图2A为图1A所示自旋晶体管核心结构的工作原理示意图；图2B为图1B所示自旋晶体管核心结构的工作原理示意图；图3为本发明提供的一种自旋晶体管功能单元的等效电路图；图4A为本发明提供的一种构建于普通衬底上的、发射极层和集电极层分别形成于基极层的两侧的无镂空自旋晶体管器件的剖面图；图4B为本发明提供的一种构建于普通衬底上的、发射极层和集电极层分别形成于基极层的两侧的镂空状自旋晶体管器件的剖面图；图5A为本发明提供的一种构建于普通衬底上的、发射极层和集电极层形成于基极层的同一侧的无镂空自旋晶体管器件的剖面图；图5B为本发明提供的一种构建于普通衬底上的、发射极层和集电极层形9成于基极层的同一侧的镂空状自旋晶体管器件的剖面图；图6A为本发明提供的一种构建于SOI CMOS上的、发射极层和集电极层分别形成于基极层的两侧的无镂空自旋晶体管器件的剖面图；图6B为本发明提供的一种构建于SOI CMOS上的、发射极层和集电极层分别形成于基极层的两侧的镂空状自旋晶体管器件的剖面图；图7A为本发明提供的一种构建于SOI CMOS上的、发射极层和集电极层形 成于基极层的同一侧的无镂空自旋晶体管器件的剖面图；图7B为本发明提供的一种构建于SOI CMOS上的、发射极层和集电极层形 成于基极层的同一侧的镂空状自旋晶体管器件的剖面图；其中，0—--普通衬底，11--一发射极层，2-—-基极层，12—一集电极层， 31—一第一铁电体层，32--—第二铁电体层，41一--发射极金属引线， 42—--基极金属引线，43—一集电极金属引线，51----发射极钉扎层， 52—一集电极钉扎层；101——体硅层；102— 一隐埋氧化层；201——S0I CM0S晶体管源极区(N型)；202— -—S0I CM0S晶体管栅极区(P型)；203——S0I CM0S晶体管漏极区(N型；) 300—一SOI CMOS晶体管栅极绝缘介质层；401— 一SOI CMOS晶体管源极引线层；402- -—SOI CMOS晶体管栅极引线层； E表示发射极B表示基极 C表示集电极具体实施方式
如图1A和图1B所示，是本发明提供的自旋晶体管的剖面图，该自旋晶体 管是多层膜结构的，它包括发射极层ll、基极层2和集电极层12，形成在所 述发射极层11和基极层2之间的第一铁电体层31，形成在所述基极层2和所述集电极层12之间的第二铁电体层32，所述发射极层11、基极层2和集电极 层12采用金属性或半金属性材料。依照本发明提供的自旋晶体管可以有很多 种具体实施方式
，比如根据发射极层11、基极层2和集电极层12采用不同类 型的材料可以制成NPN型或PNP型自旋晶体管；再比如发射极层和集电极层可 以形成于基极层的同一侧也可以分别形成于基极层的两侧；再比如根据发射极 层11和集电极层12的轿顽力的大小，可以决定是否需要在发射极层11或集 电极层12上形成钉扎层；再比如对于多层膜中的有些膜层还可以采取非镂空 或镂空成环形所形成的自旋晶体管；还比如对于该多层膜所形成的基础即衬底 而言，该衬底可以采用普通衬底如半导体单晶晶片，也可以采用SOI C0M0S 衬底等。这些不同的具体实施方式
将对应不用的技术效果或者应用情形，下面 将通过不同的实施例来对本发明进行详细的描述，本领域人员也应该清楚本发 明的内容不限于下面这些实施例。
实施例1
如图4A所示， 一种自旋晶体管包括一个普通衬底0，及集成于该衬底0 上的发射极层11、基极层2和集电极层12，形成在所述发射极层11和基极层 2之间的第一铁电体层31，形成在所述基极层2和所述集电极层12之间的第 二铁电体层32，发射极金属引线4、基极金属引线42和集电极金属引线43， 形成于衬底0和发射极11之间的发射极钉扎层51，形成于集电极12和集电 极金属引线43之间的集电极钉扎层52。本实施例自旋晶体管的发射极层和集 电极层分别形成于基极层的两侧。
该实施例是无镂空图案的PNP型自旋晶体管，其多层膜结构为在SrTi03 衬底0上依次沉积成的厚度为20nm的发射极钉扎层IrMn，厚度为50nm的 发射极LaSrMnO，厚度20nm的第一铁电体层ScTi03，厚度为20rnn的基极Fe， 厚度为20nm的第二铁电体层ScTi03，厚度为50nm的集电极LaSrMnO，厚度为 20nm的集电极钉扎层IrMn;如图4A所示，通过采用已知技术对多层膜结 构光刻后再沉积发射极金属引线41、基极金属引线42和集电极金属引线 43;该自旋晶体管采用绝缘类材料如Si02填充，以起保护作用。
该自旋晶体管多层膜结构的光刻刻蚀形状为从图4A的上方观察，发射 极横截面为矩形结构，长边长为1000nm，短边长为500mn;基极横截面为矩形结构，长边长为800nm，短边长为500nm;集电极横截面为椭圆形结构，长轴 长400nm，短轴长200nm。
此处的普通衬底O采用的材料为SrTi03衬底，发射极金属引线41、基极 金属引线42、集电极金属引线43直接与发射极层11、基极层2和集电极 12相连。
本发明提供的基于上述结构的自旋晶体管其在自旋信号放大功能与现有 技术的普通PNP型晶体管放大器工作方式、原理相同，如图2A和图3所示。 其特殊性在于，所输出的放大电流为自旋极化电流，该自旋晶体管器件提供由 电流驱动的自动过载保护功能，即当击穿电流通过基极时，由于纳米磁性材料 所独有的电流驱动效应，该层中本来与发射极、集电极平行的磁矩，因无钉扎 作用会被反转至于发射极、集电极反平行的状态，从而产生较大的电阻，进而 自动减小输出电流，此时器件处于自动保护状态；当击穿电流消退后，可外加 一定磁场将基极磁矩重新置于与发射极、集电极平行的状态，即正常工作状态。
实施例2
如图4B所示，本实施例的自旋晶体管在多层膜结构上大体与实施例1相 同，区别在于本实施例在膜结构中采用镂空图案，下面具体描述
该镂空图案自旋晶体管多层膜结构的刻蚀形状为发射极横截面为矩形结
构，长边长为1000mn，短边长为500nm;基极横截面为矩形结构，长边长为 800nm，短边长为500nm，且在矩形结构内含有椭圆形镂空结构，该椭圆形镂 空结构从基极层2贯穿到集电极钉扎层52,且该椭圆形镂空结构形成的内椭 圆长轴长300咖，内椭圆短轴长200nm;集电极钉扎层、集电极层、第二铁电 体层的横截面为椭圆环形结构，可以认为是与椭圆形镂空结构相对应地形成外 椭圆，外椭圆长轴长400nm，外椭圆短轴长300nm，内外椭圆环宽100nm。
其它同实施例1。本发明提供的基于上述结构的自旋晶体管其工作原理同 实施例1中所述。
实施例3
本实施例提供一种发射极层和集电极层形成于基极层的同一侧且无镂空 图案的PNP型自旋晶体管。如图5A所示，该自旋晶体管的多层膜结构为在SrTi03衬底0上依次沉积 形成的厚度为20nm的Fe基极层2，厚度20nm的ScTi03铁电体层，厚度为 50rnn的LaSrMnO层，厚度为20mn的IrMn钉扎层；经光刻刻蚀，并沉积金 属引线后自然形成厚度20nm的ScTi03第一铁电体层31，厚度为20nm的 ScTi03第二铁电体层31，厚度为50nm的LaSrMnO发射极层11，厚度为50nm 的LaSrMnO集电极层12，厚度为20mn的IrMn发射极钉扎层51，厚度为20nm 的lrMn集电极钉扎层52;发射极金属引线41、基极金属引线42和集电极 金属引线43;该自旋晶体管采用绝缘类材料如Si02填充起保护作用。
光刻刻蚀形状为从图5A中上方观察，基极层横截面为矩形结构，长边 长为IOOO腦，短边长为500歷；发射极层橫截面为矩形结构，长边长为300nm， 短边长为200nm;集电极层横截面为矩形结构，长边长为300nm，短边长为 200nm;发射极层11和集电极层12分别位于基极层2的相对的两端，在它们 之间的基极层上形成基极金属引线42。
本实施例中采用SrTi03衬底，且发射极金属引线41、基极金属引线42、 集电极金属引线43直接与发射极层、基极层和集电极层相连。
本发明提供的基于上述结构的自旋晶体管其工作原理同实施例1中所述。
实施例4
本实施例4提供一种发射极层和集电极层形成于基极层的同一侧且具有 镂空图案的PNP型自旋晶体管。本实施例与实施例3大体相同，区别在于，在 集电极层的一侧具有镂空结构，具体说明如下
如图5B所示，该具有镂空图案的自旋晶体管多层膜结构的刻蚀形状为 基极层横截面为矩形结构，长边长为1000nm，短边长为500nm，且具有镂空结 构，该镂空结构从基极层2向上贯穿到集电极钉扎层52，该镂空结构是椭圆 形的，可以认为是内椭圆，其内长轴长为200nm，内短轴长为lOOmn;第一铁 电体层31、发射极层11、发射极钉扎层51的横截面为矩形结构，长边长为 300nm，短边长为200nm;第二铁电体层32、集电极层12、集电极钉扎层52 的横截面为椭圆形镂空结构，外长轴长为300nm，外短轴长为200nm，内长轴 长为200nm，内短轴长为lOOnm，环宽100nm。
其它同实施例3。本发明提供的基于上述结构的自旋晶体管其工作原理同实施例1中所述。 实施例5
本实施例提供一种在SOI CMOS衬底上形成的、发射极层和集电极层分别 形成于基极层的两侧的PNP型自旋晶体管。
如图6A所示，自旋晶体管包括一个SOICMOS衬底，及集成于该衬底上的 发射极层11、基极层2和集电极层12，形成在所述发射极层11和基极层2 之间的第一铁电体层31，形成在所述基极层2和所述集电极层12之间的第二 铁电体层32，与所述发射极层连接的发射极钉扎层51，形成于集电极12和集 电极金属引线43之间的集电极钉扎层52，形成于发射极钉扎层51和衬底之 间的发射极金属引线41，与基极层连接的基极金属引线42，和与集电极钉扎 层连接的集电极金属引线43，以及与衬底连接的位线401和字线402。
本实施例的SOICMOS衬底包括第一半导体材料层101，比如体硅层， 以及依次生长于其上的隐埋氧化层102和第二半导体材料层；该第二半导体材 料层由SOI CMOS晶体管的漏极203、栅极202和源极201构成，此处SOI CMOS 晶体管源极区为N型，栅极区为P型，漏极区为N型；在栅极202上面依次是 栅极绝缘介质层300和栅极引线层402 (即字线)，在源极201上面有源极引 线层401 (即位线)。根据所使用的环境不同，可选用全耗尽型、双栅型、抗 高温型、抗脉冲型、抗高压型等多种类型的SOICMOS衬底；
该自旋晶体管的多层膜结构为在SOI CMOS漏极电极203 (即发射极金属 引线41)上依次沉积厚度为20nm的IrMn发射极钉扎层51，厚度为50nm 的LaSrMnO发射极11，厚度20nm的ScTi03第一铁电体层31，厚度为20nm 的Fe基极2，厚度为20nm的ScTi03第二铁电体层32，厚度为50nm的LaSrMnO 集电极层12，厚度为20rnn的IrMn集电极钉扎层52;光刻形成如图6A所示 图形并同时沉积形成的基极金属引线42和集电极金属引线43;该自旋晶 体管采用绝缘类材料如Si02填充起保护作用。
该自旋晶体管的多层膜结构的刻蚀形状为从图6A中上方观察，发射极 层横截面为矩形结构，长边长为1000nm，短边长为500nm;基极层横截面为矩 形结构，长边长为800mn，短边长为500nrn;集电极横截面为椭圆形结构，长 轴长400nm，短轴长200nm。其它层的形状是光刻加工后自然形成的。本发明提供的基于上述结构的自旋晶体管其在自旋信号放大功能与普通
PNP型晶体管放大器工作方式、原理相同，如图2A和图3所示。其特殊性在 于，所述结构可利用SOI CMOS的字线和位线在自旋晶体管阵列中选择相应的 自旋晶体管施加自旋电信号；所输出的放大电流为自旋极化电流；所述自旋晶 体管器件提供由电流驱动的自动过载保护功能，即当击穿电流通过基极时，由 于纳米磁性材料所独有的电流驱动效应，该层中本来与发射极、集电极平行的 磁矩，因无钉扎作用会被反转至于发射极、集电极反平行的状态，从而产生较 大的电阻，进而自动减小输出电流，此时器件处于自动保护状态；当击穿电流 消退后，可外加一定磁场将基极磁矩重新置于与发射极、集电极平行的状态， 即正常工作状态。
实施例6
本实施例提供一种在SOI CMOS衬底上形成的、发射极层和集电极层分别 形成于基极层的两侧的、且在多层膜中具有镂空机构的PNP型自旋晶体管。本 实施例与实施例5大体相同，区别在于，多层膜中具有镂空结构，具体描述如 下
该镂空结构的自旋晶体管的刻蚀形状为从图6b所示器件的上方观察， 发射极层横截面为矩形结构，长边长为1000nm，短边长为500nm;基极层横截 面为矩形结构，长边长为800nm，短边长为500nm;集电极层横截面为内部有 椭圆镂空结构的椭圆形环状结构，该椭圆镂空结构从所述基极层2向上贯穿到 集电极钉扎层52内部，椭圆形环状结构的外长轴长400mn，外短轴长200nm， 内长轴长300nm，内短轴长100nm，环宽100nm。
其它同实施例5。本发明提供的基于上述结构的自旋晶体管其工作原理同 实施例5中所述。
实施例7
本实施例提供一种在SOI CMOS衬底上形成的、发射极层和集电极层形成 于基极层的同 一侧的PNP型自旋晶体管。
如图7A所示，自旋晶体管包括一个SOI CMOS衬底，及该衬底上的基极金 属引线42和基极层2，在基极层2的一端上依次有第一铁电体层31、发射极层11、发射极钉扎层51和发射极金属引线41，在基极层2的另一端上依次有 第二铁电体层32、集电极层12、集电极钉扎层52和集电极金属引线43，在 该SOI CMOS衬底上还形成有位线401和字线402。
本实施例的SOI CMOS衬底包括第一半导体材料层IOI，比如体硅层， 以及依次生长于其上的隐埋氧化层102和第二半导体材料层；该第二半导体材 料层由SOI CMOS晶体管的漏极203、栅极202和源极201构成，此处SOI CMOS 晶体管源极区为N型，栅极区为P型，漏极区为N型；在栅极202上面依次是 栅极绝缘介质层300和栅极引线层402 (即字线)，在源极201上面有源极引 线层401 (即位线)。根据所使用的环境不同，可选用全耗尽型、双栅型、抗 高温型、抗脉冲型、抗高压型等多种类型的SOI CMOS衬底。
该PNP型自旋晶体管的多层膜结构是在SOI CM0S漏极电极(即基极金属 引线42)上依次沉积成的厚度为20nm的Fe基极层2，厚度20nm的ScTi03 铁电体层，厚度为50nm的LaSrMn0，厚度为20nm的IrMn钉扎层；经刻蚀， 并沉积金属引线后自然形成厚度20nm的ScTi03第一铁电体层31，厚度为 20nm的ScTia第二铁电体层32，厚度为50nm的LaSrMnO发射极层11，厚度 为50nm的LaSrMnO集电极层12，厚度为20nm的IrMn发射极钉扎层51 ，厚 度为20nm的IrMn集电极钉扎层52;发射极金属引线41和集电极金属引线 43;该自旋晶体管采用绝缘类材料如Si02填充起保护作用。
该自旋晶体管多层膜结构的刻蚀形状为从图7A所示器件的的上方观察， 基极层横截面为矩形结构，长边长为lOOOnm，短边长为500nm;发射极横截面 为矩形结构，长边长为300nm，短边长为200nm;集电极横截面为矩形结构， 长边长为300nm，短边长为200nm。
本发明提供的基于上述结构的自旋晶体管其工作原理同实施例5中所述。
实施例8
本实施例提供一种在SOI CMOS衬底上形成的、发射极层和集电极层形成 于基极层的同一侧的，且多层膜具有镂空结构的PNP型自旋晶体管。本实施例 与实施例7大体上相同，区别在于，本实施例中的多层膜结构中具有镂空结构， 具体描述如下
该具有镂空结构的自旋晶体管的刻蚀形状为从图7B所示器件的上方观察，基极层横截面为矩形，长边长为1000nra，短边长为500mn;第一铁电极层 31、发射极层11、发射极钉扎层51和发射极金属引线41的横截面为矩形结 构，长边长为300nm，短边长为200nm;集电极层横截面是具有椭圆形镂空结 构的椭圆形环状结构，外长轴长300nm，外短轴长200nm，内长轴长200皿， 内短轴长100nm，环宽100nm，且该椭圆形镂空结构是从基极层2向上贯穿到 集电极层12内的。
本发明提供的基于上述结构的自旋晶体管其工作原理同实施例5中所述。
上面是以PNP型的自旋晶体管为例来详细介绍本发明的内容，如果要制作 NPN型的自旋晶体管，则可以基于上述各实施例器件的多层膜结构不改变，而 改变相应的膜层材料，比如在实施例1中将发射极层和集电极层采用金属Fe 材料，基极层采用LaSr阪O，就可以制作相同结构的NPN型自旋晶体管，在其 它实施例中也一样，这是本领域技术人员容易做到的，在此不再赘述。
虽然在这里描述了本发明一些具体实施方式
，但是本领于技术人员应该认 识到，对本发明的其他可能的改变和变形都不脱离更宽泛范围的发明内容和权 利要求书的范围。
权利要求
1、一种自旋晶体管，包括发射极层、基极层和集电极层；其特征是，还包括形成在所述发射极层和所述基极层之间的第一铁电体层，用于调节所述发射极层和所述基极层之间的空间电荷区的大小，形成在所述基极层和所述集电极层之间的第二铁电体层，用于调节所述基极层和所述集电极层之间的空间电荷区的大小，所述发射极层、所述基极层和所述集电极层采用金属性或半金属性材料。
2、 根据权利要求l所述的自旋晶体管，其特征是，所述发射极层的材料 为空穴型磁性金属性或半金属性材料，厚度为5nm至1000nm;所述基极层的 材料为电子型磁性金属性材料，厚度为3nm至lOOmru所述集电极的材料为空 穴型磁性金属性或半金属性材料，厚度为5mn至1000腿；所述第一铁电体层、 第二铁电体层的材料为铁电性绝缘体材料，厚度为5 nm至lOOnm。
3、 根据权利要求l所述的自旋晶体管，其特征是，所述发射极层的组成 材料为电子型磁性金属性材料，厚度为3nm至100nm;所述基极层的材料为空 穴型磁性金属性或半金属性材料，厚度为5mn至1000nm;所述集电极层的材 料为电子型磁性金属性材料，厚度为5 nm至lOOOnm;所述第一铁电体层、第 二铁电体层的组成材料为铁电性绝缘体材料，厚度为5 nm至1000nm。
4、 根据权利要求2或3所述的自旋晶体管，其特征是，所述发射极层和 所述集电极层分别形成于所述基极层的两侧。
5、 根据权利要求2或3所述的自旋晶体管，其特征是，所述发射极层和 所述集电极层形成于所述基极层的同 一侧。
6、 根据权利要求2或3所述的自旋晶体管，其特征是，还包括分别形成 在所述发射极层、所述集电极层上的发射极钉扎层和集电极钉扎层，所述钉扎 层的材料为反铁磁性材料，层厚度为10nm至100nm。
7、 根据权利要求2或3所述的自旋晶体管，其特征是，所述发射极层、 基极层和集电极层的横截面为矩形、椭圆形或正六边形；或者，所述基极层和 集电极层具有镂空结构的横截面，所述镂空结构的横截面是矩形环、椭圆环或 正六边形环；或所述镂空结构的横截面是包含矩形镂空、椭圆形镂空或正六边 形镂空的矩形、椭圆形或正六边形。
8、 根据权利要求7所述的自旋晶体管，其特征是，所述矩形环内环的短 边为10nm至100000nm，外环的短边为20 nm至200000nm，短边和长边的比值 为l: l至l: 5，环宽为10 nm至100000nm;所述椭圆环内环的短轴为10 nm至100000nm，外环的短轴为20 nm至 200000nm，短轴与长轴的比值为1: l至l: 5,环宽为10nm至nm 100000nm;所述正六边形环内环的边长为10 nm至100000nm，外环的边长为20 nm 至200000nm,环宽为10 nm至lOOOOOnm;所述矩形的短边为lOnm至lOOOOOnm,短边和长边的比值为1: 1至1: 5;所述椭圆形的短轴为lOnm至lOOOOOnm，短轴与长轴的比值为1: 1至1: 5，所述椭圆形包括圆形；所述正六边形的边长为10 nm至lOOOOOnm。
9、 根据权利要求l、 2或3所述自旋晶体管，其特征是，所述自旋晶体管 是在衬底上形成的，所述衬底为半导体单晶晶片。
10、 根据权利要求l、 2或3所述自旋晶体管，其特征是，所述自旋晶体 管是在衬底上形成的，所述衬底为SOI CM0S衬底。
全文摘要
本发明公开了一种全金属性PNP、NPN型自旋晶体管器件。该自旋晶体管是多层膜结构的，它包括发射极层、基极层和集电极层，还包括形成在所述发射极层和基极层之间的第一铁电体层，形成在所述基极层和所述集电极层之间的第二铁电体层，所述发射极层、基极层和集电极层采用金属性或半金属性材料。本发明克服了已有的自旋晶体管器件不易于操控、放大倍率低的不足，而且本发明是一种稳定工作于室温环境、具有抗辐射性的完全基于PN结工作原理的自旋晶体管。
文档编号H01L29/66GK101315948SQ200710099739
公开日2008年12月3日 申请日期2007年5月29日 优先权日2007年5月29日
发明者刘东屏, 温振超, 瑞哈娜, 莎麦拉, 韩秀峰 申请人:中国科学院物理研究所