基于多铁或铁电材料的自旋晶体管的制作方法
【专利摘要】公开了一种基于多铁/铁电材料利用电场驱动的自旋晶体管器件，该晶体管具有多层膜结构，势垒层可选用多铁材料或铁电材料。该自旋晶体管可采用共振隧穿方式工作，该共振隧穿模式可在外电场下通过多铁性材料或铁电性材料调节，实现传统晶体管的开关和放大特性；该自旋晶体管也可采用电场调节磁化强度的方式工作，该电场调节磁化强度通过多铁材料或铁电性材料的磁电耦合特性来调控磁性层材料的磁化强度方向，实现传统晶体管的开关和放大特性。上述两种基于多铁材料或铁电性材料的新型的自旋晶体管与传统的自旋晶体管相比，自由层磁矩方向的改变不需要外加磁场的调控。该自旋晶体管与传统的半导体晶体管相比具有结构简单，有利于集成和加工等特性。
【专利说明】基于多铁或铁电材料的自旋晶体管
【技术领域】
[0001]本发明属于一种具有开关或放大效应的晶体管器件，具体的说，本发明是一种基于多铁/铁电材料利用电场驱动的自旋晶体管器件。
【背景技术】
[0002]晶体管是一种重要的半导体器件，现代信息技术和半导体工业的发展对晶体管的性能提出了更高的要求，迫使人们去研究和开发新的晶体管，以满足低功耗、高灵敏度、结构简单、便于集成等需求。电子自旋翻转所需的能量低于驱使电荷运动所需的能量，因此自旋晶体管具有低功耗和读写速度快等明显优点，在非易失性的可编程逻辑器件领域具有广阔的应用前景。
[0003]1990 年 S.Datta 和 B.Das (App1.Phys.Lett.56,665(1990))提出了 自旋晶体管的概念，其中源极和漏极均采用铁磁性金属，通过栅极电压调控电子在半导体中的自旋进动，具有传统晶体管的开关特性。1993年M.Johnson提出了一种不同于传统半导体的铁磁金属型自旋晶体管，这种晶体管包括:铁磁金属构成的发射极，厚度小于自旋扩散长度的顺磁性金属构成的基极，铁磁性金属构成的发射极。另一类自旋晶体管利用电子的共振隧穿现象，2002年S.Yuasa (Science 297，234(2002))等在传统的磁性隧道结中通过插入非磁性的Cu发现了自旋极化电子的共振隧穿现象。2004年Zeng等提出了基于双势垒隧道结共振遂穿效应的晶体管(曾中明等，ZL200510064341.6)。2010年日本的Y.Shuto等(App1.Phys.Exp.3，013003(2010))通过在传统的场效应晶体管的源极集成磁性隧道结，成功制成了准自旋场效应晶体管，这类晶体管实现了自旋晶体管的部分功能，为研发自旋晶体管开辟了新的途径。
[0004]然而，传统自旋晶体管在实际应用上受诸多因素的影响，如铁磁金属和半导体间的电导率匹配问题、量子阱中能级的精确调控、而且结构和操作上都较复杂，处理速度较慢。
【发明内容】
[0005]因此，为了克服上述传统晶体管存在的不足，本发明的目的在于提供一种新型的基于共振隧穿模式工作的自旋晶体管。
[0006]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0007]根据本发明，提供一种自旋晶体管，该自旋晶体管具有多层膜结构，其中该多层膜结构以多铁或铁电材料作为势垒层。
[0008]在上述自旋晶体管中，多层膜结构具有由多铁或铁电材料制成的至少一层势垒层。
[0009]在上述自旋晶体管中，多层膜结构具有由多铁或铁电材料制成的两层势垒层。
[0010]在上述自旋晶体管中，多层膜结构自下而上地包括:衬底、下钉扎层、下磁性层、下铁电或多铁层、非磁性金属层、上铁电或多铁层、上磁性层、上钉扎层。[0011]在上述自旋晶体管中，多层膜结构自下而上地包括:衬底、下钉扎层、下磁性层、下铁电或多铁层、中间磁性层、上铁电或多铁层、上磁性层、上钉扎层。
[0012]在上述自旋晶体管中，多层膜结构自下而上地包括:衬底、下钉扎层、下磁性层、下铁电或多铁层、中间磁性层、势垒层、上磁性层、上钉扎层。
[0013]在上述自旋晶体管中，多层膜结构自下而上地包括:衬底、下钉扎层、下磁性层、下铁电或多铁层、中间磁性层、非磁性金属层、上磁性层、上钉扎层。
[0014]在上述自旋晶体管中，多铁材料为具有铁电性、铁磁性和铁弹性中的至少两种性质的材料，铁电材料为没有外加电场下，整体呈现固有电偶极矩的材料。
[0015]在上述自旋晶体管中，铁电或多铁材料选用Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-PbTiO3 (PMN-PT)、BiFeO3(BFO)、BaTiO3 (BTO)、PbTiO3 (PTO)、SrTiO3(STO)、SrZrO3> SrTiZrO3> Pr0 7Ca0 3MnO3^BIMnO3> HoMnO3> InMnO3或YCrO3,上铁电或多铁层、下铁电或多铁层的厚度均为0.5~IOnm:
[0016]在上述自旋晶体管中，非磁性金属层选用Cr、Au、Ag、Cu或CuN,厚度为0.5~10nm。
[0017]在上述自旋晶体管中，上、下磁性层选用过渡金属材料Fe、Co、Ni或其合金Co_Fe、Co-Fe-B, N1-Fe-Cr, N1-Fe ;或者半金属材料 Co-Mn-S1、Co-Fe-Al, Co-Fe-Si, Co-Mn-Al,Co-Fe-Al-S1、Co-Mn-Ge、Co-Mn-Ga, Co-Mn-Ge-Ga, La1^xSrxMnO3 或 LahCaxMnO3,其中 0〈χ〈1 ；或者稀磁半导体材料GaMnAs或GaMnN ;层的厚度为2~100nm。
[0018]在上述自旋晶体管中，中间磁性层选用矫顽力不大于ΙΟΟΟΑ/m的软磁性材料，厚度为2~lOOnm。
[0019]在上述自旋晶体管中，多层膜结构被做成横截面为纳米圆盘、纳米椭圆盘、纳米圆环和纳米椭圆环的形状。
[0020]本发明的基于多铁/铁电材料的自旋晶体管和传统的自旋晶体管相比有以下优
占-
^ \\\.[0021]1、可以基于共振隧穿模式工作，只有在共振偏压下才会工作，不存在易开不易关的问题，处理速度快。
[0022]2、自由层磁矩方向的改变可以不需要外加磁场的调控，可以通过多铁/铁电材料由外加电场来调控。
[0023]3、结构简单，有利于高密度集成和加工。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中:
[0025]图1为未加电场时，在势垒层中间所形成的量子阱态；
[0026]图2(a)为加上正向偏压后量子阱能级位置的偏离示意图；
[0027]图2(b)为加上反向偏压后量子阱能级位置的偏离示意图；
[0028]图3是本发明实施例1中自旋晶体管的纵向剖面示意图；
[0029]图4是本发明实施例2中自旋晶体管的纵向剖面示意图；
[0030]图5是本发明实施例3中自旋晶体管的纵向剖面示意图；
[0031]图6是本发明实施例4中自旋晶体管的纵向剖面示意图。
【具体实施方式】[0032]本发明总地来说涉及一种具有多铁/铁电作势垒材料的自旋晶体管器件。注意，本发明使用的术语“铁电材料”是指没有外加电场下，整体呈现固有电偶极矩的材料，术语“多铁材料”是指同时具有铁电性、铁磁性和铁弹性中的两种或两种性质以上的材料。图1和图2是本领域已知的电子在势垒中形成量子阱态的示意图，主要是用来解释自旋极化电子通过中间的量子阱态形成共振遂穿。图1为未加电场时，在势垒层中间所形成的量子阱态，图2(a)和图2(b)分别为加上正、反向偏压后量子阱能级位置的偏离示意图。
[0033]下面通过具体实施例进一步说明本发明的基于多铁/铁电作势垒材料的自旋晶体管。
[0034]实施例1:
[0035]图3是基于本发明电子共振隧穿效应设计的自旋晶体管，自旋晶体管自下至上包含:
[0036]衬底层，可选用包括Si衬底、SiC、玻璃衬底或S1-SiO2衬底，MgO单晶衬底、Al2O3单晶衬底或者诸如石墨烯的有机柔性衬底等。
[0037]钉扎层，可选用Pt-Μη、Ir-Mn> Fe-Mn> N1-Mn等反铁磁性材料,厚度为5~50nm。
[0038]磁性层，可选用的材料有:过渡金属材料(例如Fe、Co、Ni)及其合金，例如Co_Fe、Co-Fe-B> N1-Fe-Cr> N1-Fe (如 Ni81Fe19^ Co75Fe25)等;稀磁半导体材料，例如 GaMnAs> GaMnN等；半金属材料，例如 Co-Mn-S1、Co-Fe-Al > Co-Fe-Si > Co-Mn-Al > Co-Fe-Al-Si > Co-Mn-Ge-,Co-Mn-Ga、Co-Mn-Ge-GaAahSrxMnO3'LahCaxMnO3 (其中 0〈χ〈1)等，厚度为 2~lOOnm。
[0039]铁电/ 多铁层，可选用的材料有:Pb (Mg1/3Nb2/3)03-PbTi03 (PMN-PT)^BiFeO3(BFO)、BaTiO3 (BTO )、PbTiO3 (PTO)、SrTiO3 (STO)、SrZrO3、SrTiZrO3、Pr0.7Ca0.3Mn03、BiMnO3、HoMnO3、InMnO3 和 YCrO3 等，厚度为 0.5~10nm。
[0040]非磁性金属层，可选非磁性金属材料，例如Cr、Au、Ag、Cu、CuN等，厚度为
0.5~IOnm0
[0041]铁电/ 多铁层，可选用的材料有:Pb (Mg1/3Nb2/3)03-PbTi03 (PMN-PT)^BiFeO3(BFO)、BaTiO3 (BTO )、PbTiO3 (PTO)、SrTiO3 (STO)、SrZrO3、SrTiZrO3、Pr0.7Ca0.3Mn03、BiMnO3、HoMnO3、InMnO3 和 YCrO3 等，厚度为 0.5~10nm。
[0042]磁性层，可选用的材料有:过渡金属材料(例如Fe、Co、Ni)及其合金，例如Co_Fe、Co-Fe-B> N1-Fe-Cr> N1-Fe (如 Ni81Fe19^ Co75Fe25)等;稀磁半导体材料，例如 GaMnAs> GaMnN等；半金属材料，例如 Co-Mn-S1、Co-Fe-Al > Co-Fe-Si > Co-Mn-Al > Co-Fe-Al-Si > Co-Mn-Ge-,Co-Mn-Ga、Co-Mn-Ge-GaAahSrxMnO3'LahCaxMnO3 (其中 0〈χ〈1)等，厚度为 2~lOOnm。
[0043]钉扎层，可选用Pt-Μη、Ir-Mn> Fe-Mn> N1-Mn等反铁磁性材料,厚度为5~50nm。
[0044]其中电极1、2分别设置为连接非磁性金属层和钉扎层，该电极可选用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金的金属导电材料。
[0045]这种新型的自旋晶体管器件的工作原理为:电子在非常薄的非磁性金属层中可形成量子阱态，量子阱两端的势垒材料可选用不同的铁电材料，非对称的势垒可使不同自旋电子形成的量子阱态能级不同，只有在与量子阱中能级相应的共振隧穿电压下，电子才会隧穿过去，因而不同自旋的电子对应不同的共振隧穿电压。由于铁磁性材料的电子是自旋极化的，因此不同自旋通道对应的电子隧穿电流大小不同，可直接通过外加偏压调控其共振隧穿电流大小。[0046]实施例2:
[0047]如图4所示，与实施例1的区别是中间的非磁性金属层换成了磁性层。自旋晶体管自下至上包含:
[0048]衬底层，可选用包括Si衬底、SiC、玻璃衬底或S1-SiO2衬底，MgO单晶衬底、Al2O3单晶衬底或者有机柔性衬底等。
[0049]钉扎层，可选用Pt-Μη、Ir-Mn> Fe-Mn> N1-Mn等反铁磁性材料,厚度为5~50nm。
[0050]磁性层，可选用的材料有:过渡金属材料Fe、Co、N1、及其合金Co_Fe、Co-Fe-B>N1-Fe-Cr> N1-Fe (如 Ni81Fe19^ Co75Fe25)等；稀磁半导体材料 GaMnAs、GaMnN 等；半金属材料 Co-Mn-S1、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si, Co-Mn-Al, Co-Fe-Al-Si, Co-Mn-Ge, Co-Mn-Ga,Co-Mn-Ge-Ga、La1^xSrxMnO3> LahCaxMnO3 (其中 0〈χ〈1)等，厚度为 2~lOOnm。
[0051]铁电/ 多铁层，可选用的材料有:Pb (Mg1/3Nb2/3)03-PbTi03 (PMN-PT)^BiFeO3(BFO)、BaTiO3 (BTO )、PbTiO3 (PTO)、SrTiO3 (STO)、SrZrO3、SrTiZrO3、Pr0.7Ca0.3Mn03、BiMnO3、HoMnO3、InMnO3 和 YCrO3 等，厚度为 0.5~10nm。
[0052]磁性层(以下也称“中间磁性层”)，可选用矫顽力比较小的软磁性材料(通常不大于 1000A/m)，如电工纯铁、Fe-Si 合金、N1-Fe 合金、Co-Fe(如 Ni81Fe19Xo75Fe25)合金和 Fe-Al合金等，厚度为2~lOOnm。
[0053]铁电/ 多铁层，可选用的材料有:Pb (Mg1/3Nb2/3)03-PbTi03 (PMN-PT)^BiFeO3(BFO)、BaTiO3 (BTO )、PbTiO3 ( PTO)、SrTiO3 (STO)、SrZrO3、SrTiZrO3、Pr0.7Ca0.3Mn03、BiMnO3、HoMnO3、InMnO3 和 YCrO3 等，厚度为 0.5~10nm。
[0054]磁性层，可选用的材料有:过渡金属材料Fe、Co、N1、及其合金Co_Fe、Co-Fe-B>N1-Fe-Cr> N1-Fe (如 Ni81Fe19^ Co75Fe25)等；稀磁半导体材料 GaMnAs、GaMnN 等；半金属材料 Co-Mn-S1、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si, Co-Mn-Al, Co-Fe-Al-Si, Co-Mn-Ge, Co-Mn-Ga,Co-Mn-Ge-Ga、La1^xSrxMnO3> LahCaxMnO3 (其中 0〈χ〈1)等，厚度为 2~lOOnm。
[0055]钉扎层，可选用Pt-Μη、Ir-Mn> Fe-Mn> N1-Mn等反铁磁性材料,厚度为5~50nm。
[0056]其中电极1、2可选用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金的金属导电材料。
[0057]此种结构的工作原理为:铁电/多铁层电极化强度的方向可影响磁性层磁化强度的方向，初始假设中间磁性层(靠近铁电/多铁层的磁性层，即夹在两个铁电/多铁层之间)的磁化强度方向与钉扎磁性层(靠近钉扎层)相同，通过调节电极I上的电压的方向和大小，可改变铁电/多铁材料中电极化强度的方向，通过磁电耦合效应可改变中间磁性层磁化强度的方向。当中间磁性层与钉扎磁性层磁化方向处于平行排布时，电子较易隧穿中间的磁性层，此时的隧穿电流较大。当二者的磁化方向处于反平行排布时，电子遂穿几率非常小，可以通过电极I上的电压大小和方向调控遂穿电流的大小。这种基于电场驱动的双势垒自旋晶体管与传统的双势垒自旋晶体管相比，中间磁性层磁化强度的改变不需要外加磁场。
[0058]实施例3:
[0059]如图5所示，与实施例2的区别仅是将上端的铁电/多铁层换成绝缘势垒层，形成磁性隧道结结构。该结构自下至上包含:
[0060]衬底层，可选用包括Si衬底、SiC、玻璃衬底或S1-SiO2衬底，MgO单晶衬底、Al2O3单晶衬底或者有机柔性衬底等。[0061]钉扎层，可选用Pt-Μη、Ir-Mn、Fe-Mn、N1-Mn等反铁磁性材料，厚度为5~50nm。[0062]磁性层，可选用的材料有:过渡金属材料Fe、Co、N1、及其合金Co_Fe、Co-Fe-B、N1-Fe-Cr> N1-Fe (如 Ni81Fe19、Co75Fe25)等；稀磁半导体材料 GaMnAs、GaMnN 等；半金属材料 Co-Mn-S1、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si, Co-Mn-Al, Co-Fe-Al-Si, Co-Mn-Ge, Co-Mn-Ga,Co-Mn-Ge-Ga、La1^xSrxMnO3> LahCaxMnO3 (其中 0〈χ〈1)等，厚度为 2~lOOnm。
[0063]铁电/ 多铁层，可选用的材料有:Pb (Mg1/3Nb2/3)03-PbTi03 (PMN-PT)^BiFeO3(BFO)、BaTiO3 (BTO )、PbTiO3 (PTO)、SrTiO3 (STO)、SrZrO3、SrTiZrO3、Pr0.7Ca0.3Mn03、BiMnO3、HoMnO3、InMnO3 和 YCrO3 等，厚度为 0.5~10nm。
[0064]磁性层(也称中间磁性层)，可选用矫顽力比较小的软磁性材料(通常不大于1000A/m)，如电工纯铁、Fe-Si 合金、N1-Fe 合金、Co-Fe (如 Ni81Fe19、Co75Fe25)合金和 Fe-Al合金等，厚度为2~lOOnm。
[0065]势垒层，包含常见的Al-0、MgO, MghZnxO(其中 0〈x〈l)、AIN、Ta2O5, MgAl2O4, ZnO、SiMg204、Si02、Hf02、Ti02、Alq3、LB 有机复合薄膜、GaAs、AlGaAs、InAs 等材料制作，优选 Mg。、Al-0、MgZnO, AlN和Alq3、LB有机复合薄膜，厚度一般在为0.5~10nm。
[0066]磁性层，可选用的材料有:过渡金属材料Fe、Co、N1、及其合金Co_Fe、Co-Fe-B>N1-Fe-Cr> N1-Fe (如 Ni81Fe19^ Co75Fe25)等；稀磁半导体材料 GaMnAs、GaMnN 等；半金属材料 Co-Mn-S1、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si, Co-Mn-Al, Co-Fe-Al-Si, Co-Mn-Ge, Co-Mn-Ga,Co-Mn-Ge-Ga、La1^xSrxMnO3> LahCaxMnO3 (其中 0〈χ〈1)等，厚度为 2~lOOnm。
[0067]钉扎层，可选用Pt-Μη、Ir-Mn、Fe-Mn、N1-Mn等反铁磁性材料，厚度为5~50nm。
[0068]其中电极1、2可选用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金的金属导电材料。
[0069]此时通过外加电场依然可以控制铁电/多铁层中电极化强度的方向。当中间磁性层(靠近铁电/多铁层，即夹在铁电/多铁层和势垒层之间的磁性层)与钉扎磁性层(靠近钉扎层)磁化强度的方向相反时，电子通过中间磁性层时会受到很强的散射，此时的电流较小；同理当中间磁性层的磁化强度方向与两端钉扎磁性层磁化强度方向相同时，电子较易隧穿中间磁性层，此时通过的电流较大，具有传统晶体管的开关和放大特性。
[0070]实施例4:
[0071]如图6所示，与实施例2的区别仅是将上端的铁电/多铁层换成非磁性金属层，形成GMR结构。该结构自下至上包含:
[0072]衬底层，可选用包括Si衬底、SiC、玻璃衬底或S1-SiO2衬底，MgO单晶衬底、Al2O3单晶衬底或者有机柔性衬底等。
[0073]钉扎层，可选用Pt-Μη、Ir-Mn、Fe-Mn> N1-Mn等反铁磁性材料,厚度为5~50nm。
[0074]磁性层，可选用的材料有:过渡金属材料Fe、Co、N1、及其合金Co_Fe、Co-Fe-B,N1-Fe-Cr> N1-Fe (如 Ni81Fe19^ Co75Fe25)等；稀磁半导体材料 GaMnAs、GaMnN 等；半金属材料 Co-Mn-S1、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si, Co-Mn-Al, Co-Fe-Al-Si, Co-Mn-Ge, Co-Mn-Ga,Co-Mn-Ge-Ga、La1^xSrxMnO3> LahCaxMnO3 (其中 0〈χ〈1)等，厚度为 2~lOOnm。
[0075]铁电/ 多铁层，可选用的材料有:Pb (Mg1/3Nb2/3)03-PbTi03 (PMN-PT)^BiFeO3(BFO)、BaTiO3 (BTO )、PbTiO3 (PTO)、SrTiO3 (STO)、SrZrO3、SrTiZrO3、Pr0.7Ca0.3Mn03、BiMnO3、HoMnO3、InMnO3和YCrO3等铁电材料，厚度为0.5~10nm。[0076]磁性层(也称中间磁性层)，可选用矫顽力比较小的软磁性材料(通常不大于.1000A/m)，如电工纯铁、Fe-Si 合金、N1-Fe 合金、Co-Fe (如 Ni81Fe19、Co75Fe25)合金和 Fe-Al合金等，厚度为2~lOOnm。
[0077]非磁性金属层,可选用Cu、Ag、Cr、Au等金属材料,厚度为2~10nm。
[0078]磁性层，可选用的材料有:过渡金属材料Fe、Co、N1、及其合金Co_Fe、Co-Fe-B,N1-Fe-Cr> N1-Fe (如 Ni81Fe19^ Co75Fe25)等；稀磁半导体材料 GaMnAs、GaMnN 等；半金属材料 Co-Mn-S1、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si, Co-Mn-Al, Co-Fe-Al-Si, Co-Mn-Ge, Co-Mn-Ga,Co-Mn-Ge-Ga、La1^xSrxMnO3> LahCaxMnO3 (其中 0〈χ〈1)等，厚度为 2~lOOnm。
[0079]钉扎层，可选用Pt-Μη、Ir-Mn、Fe-Mn、N1-Mn等反铁磁性材料,厚度为5~50nm。
[0080]其中电极1、2可选用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金的金属导电材料。
[0081]此时通过外加电场依然可以控制铁电/多铁层中电极化强度的方向。当中间磁性层(靠近铁电/多铁层，即夹在铁电/多铁层和势垒层之间的磁性层)与钉扎磁性层(靠近钉扎层)磁化强度的方向相反时，电子通过中间磁性层时会受到很强的散射，此时的电流较小；同理当中间磁性层的磁化强度方向与两端钉扎磁性层磁化强度方向相同时，电子较易隧穿中间磁性层，此时通过的电流较大，具有性统晶体管的开关和放大特性。
[0082]在以上示意的实施例1至4中，多层膜结构中的每层被制成为矩形或方形，但实际上，这些示出的多层膜结构(实施例1至4)在水平方向上的截面可以被做成纳米圆盘、纳米椭圆盘、纳米环和纳米椭圆环的形状。更有选为圆环状，因为磁性层通过纳米加工的方法做成圆环状，磁矩在环中形成闭合状，不仅可以消除磁场，而且封闭的磁畴不会产生杂散磁场，相邻的器件单元间不会产生耦合干扰，有利于进一步的高密度集成。另外研究发现环状结构的隧道结具有更高的热稳定性。因此从应用高密度集成的角度来看，将上述实施例中的核心多层膜结构通过纳米加工的方法做成环状结构是非常有利的。
[0083]综上所述，本发明的基于多铁/铁电材料利用电场驱动的自旋晶体管器件可采用共振隧穿方式工作，该共振隧穿模式可在外电场下通过多铁性材料或铁电性材料调节，实现传统晶体管的开关和放大特性。该自旋晶体管也可采用电场调节磁化强度的方式工作，该电场调节磁化强度通过多铁材料或铁电性材料的磁电耦合特性来调控磁性层材料的磁化强度方向，实现传统晶体管的开关和放大特性。上述两种基于多铁材料或铁电性材料的新型的自旋晶体管与传统的自旋晶体管相比，自由层磁矩方向的改变不需要外加磁场的调控、处理速度快。该自旋晶体管与传统的半导体晶体管相比具有结构简单，有利于集成和加工等特性。
[0084]尽管参照上述的实施例已对本发明做出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以基于本发明公开的内容进行修改或改进，并且这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。
【权利要求】
1.一种自旋晶体管，该自旋晶体管具有多层膜结构，其特征在于，该多层膜结构以多铁或铁电材料作为势垒层。
2.根据权利要求1所述的自旋晶体管，其特征在于，所述多层膜结构具有由多铁或铁电材料制成的至少一层势垒层。
3.根据权利要求1所述的自旋晶体管，其特征在于，所述多层膜结构具有由多铁或铁电材料制成的两层势垒层。
4.根据权利要求3所述的自旋晶体管，所述多层膜结构自下而上地包括:衬底、下钉扎层、下磁性层、下铁电或多铁层、非磁性金属层、上铁电或多铁层、上磁性层、上钉扎层。
5.根据权利要求3所述的自旋晶体管，所述多层膜结构自下而上地包括:衬底、下钉扎层、下磁性层、下铁电或多铁层、中间磁性层、上铁电或多铁层、上磁性层、上钉扎层。
6.根据权利要求2所述的自旋晶体管，所述多层膜结构自下而上地包括:衬底、下钉扎层、下磁性层、下铁电或多铁层、中间磁性层、势垒层、上磁性层、上钉扎层。
7.根据权利要求2所述的自旋晶体管，所述多层膜结构自下而上地包括:衬底、下钉扎层、下磁性层、下铁电或多铁层、中间磁性层、非磁性金属层、上磁性层、上钉扎层。
8.根据权利要求1所述的自旋晶体管，其特征在于，多铁材料为具有铁电性、铁磁性和铁弹性中的至少两种性质的材料，铁电材料为没有外加电场下，整体呈现固有电偶极矩的材料。
9.根据权利要求1所述的自旋晶体管，其特征在于，所述铁电或多铁材料选用Pb (Mgl73Nb273) O3-PbTiO3 (PMN-PT)、BiFeO3 (BFO)、BaTiO3 (BTO)、PbTiO3 (PTO)、SrTiO3 (STO)、SrZrO3> SrTiZrO3> Pr0 7Ca0.3Mn03> BiMn03、HoMnO3> InMnO3 或 YCrO3，上铁电或多铁层、下铁电或多铁层的厚度均为0.5~10n`m。
10.根据权利要求4或7所述的自旋晶体管，其特征在于，其中非磁性金属层选用Cr、Au、Ag、Cu 或 CuN,厚度为 0.5~10nm。
11.根据权利要求4至7之一所述的自旋晶体管，其特征在于，上、下磁性层选用过渡金属材料 Fe、Co、Ni 或其合金 Co-Fe、Co-Fe-B、N1-Fe-Cr、N1-Fe ;或者半金属材料 Co-Mn-S1、Co-Fe-Alλ Co-Fe-SiΛ Co-Mn-AlΛ Co-Fe-Al-SiΛ Co-Mn-GeΛ Co_Mn_Ga、Co-Mn-Ge-GaΛLa1^SrxMnO3或La^CaxMnO3，其中0〈χ〈1 ;或者稀磁半导体材料GaMnAs或GaMnN ;层的厚度为2~IOOnm0
12.根据权利要求5至7之一所述的自旋晶体管，其特征在于，中间磁性层选用矫顽力不大于ΙΟΟΟΑ/m的软磁性材料，厚度为2~lOOnm。
13.根据权利要求6所述的自旋晶体管，其特征在于，势垒层选用Al-0、Mg0、MghZnxO (其中 0〈x〈l)、AIN、Ta2O5' MgAl2O4' ZnO、SiMg2O4' SiO2, HfO2, TiO2, Alq3、LB 有机复合薄膜、GaAs、AlGaAs或InAs制成。
14.根据权利要求1所述的自旋晶体管，其特征在于，所述多层膜结构被做成横截面为纳米圆盘、纳米椭圆盘、纳米圆环和纳米椭圆环的形状。
【文档编号】H01L29/66GK103515426SQ201210211089
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年6月20日 优先权日:2012年6月20日
【发明者】陶玲玲, 刘东屏, 刘厚方, 韩秀峰 申请人:中国科学院物理研究所