专利名称：自旋晶体管及其操作方法
技术领域：
示例实施方式涉及利用场效应和磁场效应的自旋晶体管。
背景技术：
当半导体器件制造到纳米级时，载流子迁移率的增大速率不能跟上半导体器件的 增大速率，尽管器件尺寸减小，但是对功率的要求不会减小。为了解决这些问题，已经提出 利用电子自旋的技术。因而，自旋晶体管由于自旋极化的电子的移动而开启，需要用于移动电子的功率 较小，开启速度可以较快。
发明内容
技术问题示例实施例涉及一种自旋晶体管，其中通过控制沟道来控制注入的自旋极化电子 的通道。示例实施例涉及操作该自旋晶体管的方法。技术方案根据示例实施例，自旋晶体管可以包括沟道，由磁性材料形成且使具有特定方向 的自旋极化电子选择性地通过；源极，由磁性材料形成；漏极；以及栅极电极，控制沟道的 磁化状态以使从源极注入的自旋极化电子选择性通过并进入到沟道中。沟道可以利用由于施加到栅极电极的电压而产生的电场来控制，从而控制从源极 注入的自旋极化电子的通过。自旋晶体管还可以包括使栅极电极与沟道电分离的绝缘材料。沟道可以通过利用由于流过栅极电极的电流而产生的磁场来控制，从而控制从源 极注入的自旋极化电子的通过。自旋晶体管还可以包括第二栅极电极，第二栅极电极与栅极电极电绝缘并垂直于 栅极电极。自旋晶体管还可以包括隧穿势垒，该隧穿势垒设置在从沟道与源极之间和沟道与 漏极之间选出的至少一个处。隧穿势垒可以包括在沟道与源极之间的第一隧穿势垒以及在沟道与漏极之间的
第二隧穿势垒。源极可以包括设置在第一隧穿势垒上的铁磁层和设置在该铁磁层上的金属层。源极还可以包括形成在铁磁层与金属层之间的半铁磁层。漏极可以包括设置在第二隧穿势垒上的磁性层和设置在该磁性层上的金属层。漏极的磁性层可以由铁磁层形成。漏极还可以包括在铁磁层和金属层之间的半铁磁层。隧穿势垒可以由镁氧化物或铝氧化物形成。
沟道可以由铁磁材料形成，例如半金属。半金属可以包括从由磁性氧化物、具有双钙钛矿结构的磁性材料、磁性休斯勒 (Heusler)合金、磁性半休斯勒合金和具有半金属特性的半导体组成的组中选出的至少一 种材料。沟道可以由通过用过渡金属掺杂半导体以获得磁特性而制备的稀磁半导体材料 形成。根据示例实施例，沟道、源极和漏极可以设置在同一平面上。根据示例实施例，第一隧穿势垒可以与沟道上的第二隧穿势垒分离，源极和漏极 可以分别设置在第一隧穿势垒和第二隧穿势垒上。根据示例实施例，源极、沟道和漏极可以设置为垂直于衬底。第一隧穿势垒和第二隧穿势垒可以彼此对应地设置在沟道的相对表面上，源极和 漏极可以分别设置在第一隧穿势垒和第二隧穿势垒上，栅极电极可以包括与沟道上的源极 分离的第一栅极电极以及与沟道上的漏极分离的第二栅极电极。根据示例实施例，一种操作自旋晶体管的方法可以包括从源极注入自旋极化电 子；以及通过向沟道施加电场或磁场来控制沟道的磁化状态，以使自旋极化电子选择性通 过控制操作可以是向栅极电极施加预定电压。控制操作可以是向栅极电极和第二栅极电极中的每个施加预定电压，第二栅极电 极设置在栅极电极上方且垂直于栅极电极。根据沟道的磁化状态，沟道可以使仅从源极注入的自旋极化电子中具有特定自旋 方向的自旋电子通过。有利效果与常规半导体器件相比，根据示例实施例的自旋晶体管可以具有增大的电荷迁移 率。此外，由于移动自旋电子所需的功率可以小于移动电子所需的功率，所以可以减小操作 所需的功率量。因此，可以通过按比例缩小而制造相对小的晶体管。
通过以下结合附图的具体描述，示例实施例将被更清楚地理解。图1-图8表示在 此所述的非限制性的示例实施例。图1是根据示例实施例的自旋晶体管的示意性截面图；图2和图3是图1的自旋晶体管的示意性能带图；图4是根据示例实施例的自旋晶体管的示意性截面图；图5是解释图4的自旋晶体管的操作的视图；图6是根据示例实施例的自旋晶体管的示意性截面图；图7是根据示例实施例的自旋晶体管的示意性截面图；图8是根据示例实施例的自旋晶体管的示意性截面图。应当指出，这些附图旨在示出在特定示例实施例中使用的方法、结构和/或材料 的一般特性并补充下面提供的书面描述。然而，这些附图没有按比例，可以不精确地反映任 何给定实施例的精确结构或性能特性，不应当解释为限定或限制由示例实施例所包括的数
5值范围或性质。例如，为了清晰，可以减小或夸大分子、层、区域和/或结构元件的相对厚度 和位置。在各个附图中相似或相同的附图标记的使用旨在表示相似或相同元件或特征的存在。
具体实施例方式现在将参照附图更充分地描述示例实施例，其中示例实施例可以在附图中示出。 在附图中，为了清晰，可以夸大层和区域的厚度。在附图中，相同的附图标记指代相同的元 件，将省略对其的重复描述。应当理解，当元件被称为“连接到”或“耦接到”另一元件时，它可以直接连接或耦 接到另一元件上，或者还可以存在中间件。相反，当元件被称为“直接连接到”或“直接耦接 到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记始终指代相同的元件。如此处所用的， 术语“和/或”包括一个或多个所列相关列举项目的任何及所有组合。应当理解，虽然这里可使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件、组件、区域、层 和/或部分，但这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受限于这些术语。这些术语仅用于 将一个元件、组件、区域、层或部分与另一元件、组件、区域、层或部分区别开。因此，以下讨 论的第一元件、组件、区域、层或部分可以在不背离示例实施例的教导的前提下被称为第二 元件、组件、区域、层或部分。为便于描述，此处可以使用诸如“在...之下”、“在...下面”、“下(lower)”、 “在...之上”、“上(upper)”等空间相对性术语来描述如附图所示的一个元件或特征与另 一元件或特征(多个元件或特征)之间的关系。应当理解，空间相对性术语用来概括除附 图所示取向之外在使用或操作中器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转过来，则被 描述为“在”其他元件或特征“之下”或“下面”的元件将会取向为在其他元件或特征的“上 方”。这样，示范性术语“在...下面”就能够涵盖之上和之下两种取向。器件可以采取其 他取向(旋转90度或在其他取向)，此处所用的空间相对性描述被相应地解释。这里所用的术语仅仅是为了描述特定实施例，并非要限制示例实施例。如此处所 用的，除非上下文另有明确表述，否则单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”均同时旨 在包括复数形式。还应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”表明所 述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、 步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或增加。这里参照截面图示描述示例实施例，这些图示为示例实施例的理想化实施例(和 中间结构)的示意性图示。因而，举例来说，由制造技术和/或公差引起的图示形状的变化 是可以预期的。因此，示例实施例不应被解释为限于此处示出的区域的特定形状，而是包括 由例如制造引起的形状偏差。例如，图示为矩形的注入区典型地将具有圆形或弯曲的特征 和/或在其边缘处的注入浓度的梯度而不是从注入区到非注入区的二元变化。类似地，通 过注入形成的埋入区会导致在埋入区与通过其发生注入的表面之间的区域中的一些注入。 因此，附图所示的区域实质上是示意性的，它们的形状并非要示出器件区的实际形状，也并 非意欲限制示例实施例的范围。除非另行定义，此处使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)都具有示例实 施例所属领域内的普通技术人员所通常理解的同样的含义。还应当理解，诸如通用词典中所定义的术语，除非此处加以明确定义，否则应当被解释为具有与它们在相关领域的语境 中的含义相一致的含义，而不应被解释为理想化或过度形式化的意义。图1是根据示例实施例的自旋晶体管100的示意性截面图。参照图1，绝缘层104 和栅极电极110可以形成在衬底102上。衬底102可以是常规的硅衬底，绝缘层104可以 由硅氧化物形成。栅极电极110可以由A1或多晶硅形成。栅极氧化物层112和沟道120可以依次形成在栅极电极110上。源极130和漏极 140 (其可以彼此分离)可以形成在沟道120上。栅极氧化物层112可以由硅氧化物形成。绝缘层150还可以形成在源极130和漏极140之间。第一隧穿势垒132可以形成在沟道120与源极130之间，第二隧穿势垒142可以 形成在沟道120与漏极140之间。第一隧穿势垒132和第二隧穿势垒142可以以单层结构 形成，使得第一隧穿势垒132和第二隧穿势垒142彼此连接。第一隧穿势垒132和第二隧 穿势垒142可以由设置在隧道磁电阻(tunneling magneto resistivty, TMR)器件中的两 个磁化层之间的相同材料形成，例如MgO或A1203。例如，如果MgO用于形成第一隧穿势垒 132和第二隧穿势垒142，则可以获得高磁阻(MR)率。源极130可以由磁性材料形成，例如铁磁材料。源极130可以包括在第一隧穿势 垒132上的铁磁层134和在铁磁层134上的金属层138。此外，源极130还可以包括在铁磁 层134和金属层138之间的半铁磁层136。铁磁层134允许自旋极化电子易于注入到源极130中。半铁磁层136固定铁磁层134的自旋极化电子的自旋方向。漏极140可以由普通的金属形成。此外，漏极140还可以由金属材料形成，例如铁 磁材料。漏极140可以仅包括金属层148。漏极140可以包括在第二隧穿势垒142和金属 层148之间的铁磁层144。此外，漏极140还可以包括在铁磁层144和金属层148之间的半 铁磁层146。沟道120是自旋极化电子在源极130和漏极140之间的通道。沟道120用作使从 源极130注入的具有特定方向(例如，自旋向上方向或自旋向下方向)的自旋极化电子选 择性通过的过滤器。沟道120的过滤功能可以根据施加到栅极电极110的电压改变。第一隧穿势垒132过滤掉具有不期望自旋方向的电子以防止该电子进入沟道120 中，第二隧穿势垒142过滤掉具有不期望自旋方向的电子以防止该电子从沟道120进入漏 极140中。在此情况下，自旋晶体管100是利用场效应的晶体管。沟道120可以由铁磁材料形成，例如半金属。半金属的示例包括磁性氧化物、具有 双钙钛矿结构的磁性材料、磁性休斯勒合金、磁性半休斯勒合金和具有半金属特性的半导 体。磁性氧化物可以是Cr02、Fe304、NiO或Ti02。双钙钛矿结构材料的化学组成物可以表示为A2BB’06。对应于A的材料可以是Ca、 Sr或Ba，对应于B的材料可以是3d轨道过渡金属(例如Fe和Co)，对应于B’的材料可以是 4d轨道过渡金属(例如Mo和Re)。双钙钛矿结构材料可以是例如Sr2FeMo06或Sr2FeRe06。 休斯勒化合物可以是Co2CrAl。磁性休斯勒合金可以包括从由X2YZ、X2YZ’、X2Y’ Z和X2Y’ V组成的组选出的至少
7一种化合物，其中X包括从Co、Fe和Ru选出的至少一种，Y是Cr或Mn，Z是从Si、Ge、Sn、 A1、Ga、Sb和Pb选出的任何一种。磁性休斯勒合金的示例包括Co2CrAl和Co2MnSi。磁性半休斯勒合金可以是从NiMnSb、PdMnSb、PtMnSb、CoMnSb、IrMnSb、NiCrSb、 FeMnSb、CoCrSb、NiVSb、CoVSb、CoTiSb、NiMnSe、NiMnTe、CoFeSb、NiFeSb 和 RhMnSb 选出的
任何一种合金。具有半金属特性的半导体可以从CrAS、MnAS和CrSe选出。沟道120可以由从CoFe、CoFeB、Fe、Co、Mn和坡莫合金(Permalloy)选出的任何一 种铁磁金属形成。沟道120还可以由通过用过渡金属掺杂半导体以获得磁特性而制备的稀 磁半导体材料形成。稀磁半导体材料可以是从(In，Mn)As、(Ga, Mn)As、(Zn, Co)0、(Zn, V) 0、(Ga, Mn)N、(Ga, Cr)N、(Cd, Mn)GeP2、(Zn, Mn)GeP2、(Ti, Cr) 02 禾P (Zn, Cr) Se 选出的任意 一种材料。在这点上，括号中前面的材料是母体，后面的材料是掺杂材料或替代物。此外， 亚锰酸盐基材料(例如NiMnSb或La(1_x)AxMn03，其中A为Ca、Ba或Sr，0. 2 < x < 0. 3)和 过渡金属掺杂的半导体(例如Cu掺杂的GaN)也具有半金属特性。半金属具有自旋向下的电子和自旋向上的电子，由于形成在费米能级附近的带 隙，一个自旋电子具有半导体特性，而另一自旋电子具有金属特性。当源极130和漏极140分别包括铁磁层134和144时，铁磁层134和144可以形 成为具有相同的主导电子自旋方向。铁磁金属可以是NiFe合金、CoFe合金、CoFeB合金、 Fe、Co、Mn和坡莫合金。铁磁层134和144可以在一个自旋方向具有比另一自旋方向高的 态密度(D0S)，例如自旋向上电子的密度可以高于自旋向下电子的密度。然而，在普通金属 中，自旋向上电子和自旋向下电子的DOS可以是相同的，漏极120可以由普通金属形成。半铁磁层136和146可以由FeMn、PtMn或PtCrMn形成。当沟道120由半金属形成并且源极130和漏极140由铁磁材料形成时，沟道120 可以形成为具有在源极130和漏极140的主导(predominant)电子自旋方向上的半导体特 性。现在将参照图2和图3来描述操作图1的自旋晶体管100的方法。图2和图3是源极 130、漏极140以及第一隧穿势垒132和第二隧穿势垒142的能带图。图1、图2和图3中相 同的元件用相同的附图标记指代，因此将省略对它们的描述。参照图2，源极130和漏极140由铁磁金属形成，沟道120由半金属形成。源极130 和漏极140中的每个形成为具有主导的自旋向上的电子，沟道120可以具有在自旋向上方 向上的半导体特性。为了将自旋电子从源极130移动到漏极140，IV的偏置电压可以施加 到漏极140，接地电压施加到源极130。在源极130中，自旋向下的电子是少子，自旋向下电子的量可以相对较少。第一隧 穿势垒132和第二隧穿势垒142(Mg0层)可以选择性地允许自旋向上的电子(其为多子) 隧穿。沟道120可以阻挡自旋向上的电子移动到漏极140的流动，因此没有电流在沟道120 中流动。也就是，自旋晶体管100可以处于截止(OFF)状态。通过参照在漏极140中测得的 电流(也就是漏极电流)，可以确定自旋晶体管100是处于导通(0N)状态还是截止(OFF) 状态。参照图3，当0. 5V的栅电压施加到栅极电极110时，沟道120的自旋向上电子的导 带可以与源极130的费米能级对准，因此源极130中的自旋向上电子可以穿过第一隧穿势 垒132移动到沟道120，沟道120中的自旋向上电子可以穿过第二隧穿势垒142移动到漏极 140。因此，电流可以在沟道120中流动，自旋晶体管100可以处于导通(0N)状态。
8
如上所述，自旋极化电子可以由于栅极电压而选择性地通过沟道120，从而自旋晶 体管100被开启。与常规半导体器件相比，根据示例实施例的自旋晶体管100可以具有增 大的电荷迁移率。此外，由于移动自旋电子所需的功率可以小于移动电子所需的功率，所以 可以减少操作所需的功率量。因此，相对小的晶体管可以通过按比例缩小而制造。图4是根据示例实施例的自旋晶体管200的示意性截面图。图1的自旋晶体管100 和图4的自旋晶体管200中的相同元件用相同的附图标记指代，因此将省略对它们的描述。参照图4，第二栅极电极260可以形成在衬底102中。第二栅极电极260可以与栅 极电极110分离且设置为垂直于栅极电极110。栅极电极110可以被称为第一栅极电极。 施加到第一栅极电极110的第一电流垂直于施加到第二栅极电极260的第二电流。通过控 制第一电流或第二电流的方向，可以改变沟道120的自旋方向。例如，在沟道120由铁磁金 属形成的情况下，当磁场施加到沟道120使得沟道120和源极130的主要自旋具有相同的 方向时，自旋晶体管200可以被开启，当磁场施加到沟道120使得沟道120和源极130的主 要自旋具有不同的方向时，自旋晶体管200可以被截止。在沟道120由半金属形成的情况下，自旋晶体管200可以通过控制流过第一栅极 110和第二栅极260的电流而开启或截止。例如，当具有金属特性的自旋方向是如图5所示 的自旋向上的方向时，自旋晶体管200可以被开启，当具有金属特性的自旋方向是如图2所 示的自旋向下的方向时，自旋晶体管200可以被截止。因此，自旋晶体管200可以利用磁场来开启。图6是根据示例实施例的自旋晶体管300的示意性截面图。图1的自旋晶体管100 和图6的自旋晶体管300的相同元件用相同的附图标记指代，因此将省略对它们的描述。参照图6，绝缘层304可以形成在衬底302上，彼此分离的源极330和漏极340可 以形成在绝缘层304上。绝缘层350可以形成在源极330和漏极340之间。第一隧穿势垒 332和第二隧穿势垒342可以分别形成在源极330和漏极340上。沟道320、栅极绝缘层 312和栅极电极310可以以此顺序依次设置在第一隧穿势垒332和第二隧穿势垒342上。在源极330中，铁磁层334、半铁磁层336和金属层338可以以此顺序从第一隧穿 势垒332向下依次设置。在漏极340中，铁磁层344、半铁磁层346和金属层348可以依次 顺序从第二隧穿势垒342向下依次设置。图6的自旋晶体管300的操作方法可以与图1的自旋晶体管100的操作方法基本 相同，因此将省略对其的描述。同时，在图6的自旋晶体管300中，第二栅极电极(未示出)可以进一步设置在栅 极电极310上方以与栅极电极310交叉，从而可以获得通过磁场驱动的自旋晶体管。图7是根据示例实施例的自旋晶体管400的示意性截面图。参照图7，绝缘层404可以形成在衬底402上。源极430、沟道420和漏极440可 以形成在同一平面上，例如形成在绝缘层404上。栅极绝缘层412和栅极电极410可以形 成在沟道420上。衬底402可以是硅衬底，绝缘层404可以由硅氧化物形成。栅极电极410可以由 贵金属(例如钌(Ru)、钼(Pt)、金(Au)、银(Ag)、钛(Ti)或铝(A1))、过渡金属、稀土金属或 多晶硅形成。栅极绝缘层412可以由从硅氧化物、Mg0、Al203、&02和Si3N4选出的材料形成。
第一隧穿势垒432可以形成在沟道420和源极430之间，第二隧穿势垒442可以 形成在沟道420和漏极440之间。第一隧穿势垒432和第二隧穿势垒442可以由设置在隧 穿磁阻(TMR)器件中的两个磁化层之间的相同材料形成，例如MgO或A1203。源极430可以由磁性材料形成，例如铁磁材料。源极430可以包括在第一隧穿势 垒432上的铁磁层434和在铁磁层434上的金属层438。此外，源极430还可以包括在铁磁 层434和金属层438之间的半铁磁层436。漏极440可以由普通金属形成。此外，漏极440可以由磁性材料形成，例如铁磁 材料。漏极440可以仅包括金属层448。漏极440可以包括在第二隧穿势垒442和金属层 448之间的铁磁层444。此外，漏极440还可以包括在铁磁层444和金属层448之间的半铁 磁层446。沟道420是自旋极化电子在源极430和漏极440之间的通道。沟道420用作使具 有特定方向(例如，自旋向上的方向)的自旋极化电子选择性通过的过滤器。沟道420的 过滤功能可以根据施加到栅极电极410的电压而改变。在此情况下，自旋晶体管400可以 是利用场效应的晶体管。第一隧穿势垒432过滤掉具有不期望自旋方向的电子以防止该电 子进入沟道420中，第二隧穿势垒442过滤掉具有不期望自旋方向的电子以防止该电子从 沟道120进入到漏极440中。沟道420可以由与图1的沟道120相同的材料形成，因此将省略对其的描述。半金属具有自旋向下的电子和自旋向上的电子，一个自旋方向的电子由于形成在 费米能级附近的带隙而具有半导体特性，另一自旋方向电子具有金属特性。当源极430和漏极440分别包括铁磁层434和444时，铁磁层434和444可以形成 为含有具有相同主导自旋方向的自旋电子。铁磁金属可以是NiFe合金、CoFe合金或CoFeB 合金。铁磁层434和444可以在一个自旋方向具有比另一自旋方向更高的态密度(DOS)，例 如自旋向上电子的密度可以大于自旋向下电子的密度。然而，在普通金属中，自旋向上电子 和自旋向下电子的DOS可以是相同的，漏极420可以由普通金属形成。半铁磁层436和446可以由FeMn、PtMn或PtCrMn形成。当沟道420由半金属形成并且源极430和漏极440由铁磁材料形成时，沟道420 可以形成为具有在源极430和漏极440的主导电子自旋方向上的半导体特性。图7的自旋晶体管400还可以包括第二栅极(见图4的260)，第二栅极垂直于栅 极电极410设置。第二栅极电极可以设置在栅极电极410之上或之下，这里将不详细地描 述。图7的自旋晶体管400的操作方法可以与图1的自旋极化电子100的操作方法相 同，因此将省略对其的描述。同时，第二栅极电极(未示出)可以形成为垂直于栅极电极410设置。因此，沟道 420的自旋方向通过控制施加到栅极电极410和第二栅极电极的电流来控制。自旋晶体管 400的操作方法可以与图4的自旋晶体管200的操作方法基本相同，因此将省略对其的描 述。图8是根据示例实施例的自旋晶体管500的示意性截面图。参照图8，绝缘层504可以形成在衬底502上，第一栅极电极510和源极530可以 形成在绝缘层504上。绝缘层551可以设置在第一栅极电极510和源极530之间以使第一栅极电极510与源极530分离。第一栅极绝缘层512可以形成在第一栅极电极510上，第 一隧穿势垒532可以形成在源极530上。源极530可以包括以该次序从第一隧穿势垒532依次设置的铁磁层534、半铁磁层 536和金属层538。沟道520可以形成在第一隧穿势垒532、第一栅极绝缘层512和绝缘层551上。漏 极540和第二栅极电极560可以形成在沟道520上。第二栅极绝缘层562可以设置在第二 栅极电极560和沟道520之间。绝缘层552可以设置在漏极540和第二栅极电极560之间 以使漏极540与第二栅极电极560分离。第二隧穿势垒542还可以设置在漏极540和沟道520之间。漏极540还可以包括 以该顺序依次形成在第二隧穿势垒542上的铁磁层544、半铁磁层546和金属层548。源极530可以关于沟道540对应于漏极540，第一栅极电极510可以关于沟道520 对应于第二栅极电极560。栅极电压施加到第一栅极电极510和第二栅极电极560的至少之一。根据栅极电 压的施加，电子自旋从源极530移动到漏极540，因此自旋晶体管500被开启。在自旋晶体 管500中，沟道520从源极530到漏极540的通路是短的，因此可以减少由自旋方向的变化 而引起的自旋晶体管500的故障。尽管已经参照本发明的不同实施例具体示出并描述了本发明的方案，但是应当理 解，这些示范性实施例应当以描述性的含义理解，而不是为了限制目的。对每个实施例中的 特征或方案的描述通常应当被认为可以用于其余实施例中的其他类似特征或方案。因此，尽管已经示出和描述了一些实施例，但是本领域技术人员应当认识到，在这 些实施例中可以做出变化而不背离本发明的原理和精神，本发明的范围由权利要求书及其 等同物限定。工业应用本发明可以应用于晶体管和存储器行业。
1权利要求
一种自旋晶体管，包括沟道，由磁性材料形成且使具有特定方向的自旋极化电子选择性地通过；源极，由磁性材料形成；漏极；以及栅极电极，控制所述沟道的磁化状态以使从所述源极注入的所述自旋极化电子选择性通过并进入所述沟道中。
2.如权利要求1所述的自旋晶体管，其中通过利用由于施加到所述栅极电极的电压而 产生的电场来控制所述沟道，从而控制从所述源极注入的所述自旋极化电子的通过。
3.如权利要求2所述的自旋晶体管，还包括使所述栅极电极与所述沟道电分离的绝缘 材料。
4.如权利要求1所述的自旋晶体管，其中通过利用由于流过所述栅极电极的电流而产 生的磁场来控制所述沟道，从而控制从所述源极注入的所述自旋极化电子的通过。
5.如权利要求4所述的自旋晶体管，还包括第二栅极电极，该第二栅极电极与所述栅 极电极电绝缘并垂直于所述栅极电极。
6.如权利要求1所述的自旋晶体管，还包括隧穿势垒，该隧穿势垒设置在从所述沟道 与所述源极之间和所述沟道与所述漏极之间选出的至少之一处。
7.如权利要求6所述的自旋晶体管，其中所述隧穿势垒包括第一隧穿势垒，在所述沟道与所述源极之间；和第二隧穿势垒，在所述沟道与所述漏极之间。
8.如权利要求7所述的自旋晶体管，其中所述源极包括铁磁层，设置在所述第一隧穿势垒上；和金属层，设置在所述铁磁层上。
9.如权利要求8所述的自旋晶体管，其中所述源极还包括形成在所述铁磁层与所述金 属层之间的半铁磁层。
10.如权利要求6所述的自旋晶体管，其中所述漏极包括设置在所述第二隧穿势垒上 的磁性层和设置在该磁性层上的金属层。
11.如权利要求10所述的自旋晶体管，其中所述漏极的磁性层是铁磁层。
12.如权利要求11所述的自旋晶体管，其中所述漏极还包括在所述铁磁层和所述金属 层之间的半铁磁层。
13.如权利要求6所述的自旋晶体管，其中所述隧穿势垒由镁氧化物或铝氧化物形成。
14.如权利要求1所述的自旋晶体管，其中所述沟道由铁磁材料形成
15.如权利要求14所述的自旋晶体管，其中所述铁磁材料是半金属。
16.如权利要求15所述的自旋晶体管，其中所述半金属包括从由磁性氧化物、具有双 钙钛矿结构的磁性材料、磁性休斯勒合金、磁性半休斯勒合金和具有半金属特性的半导体 组成的组中选出的至少一种材料。
17.如权利要求16所述的自旋晶体管，其中所述磁性氧化物是从Cr02、Fe3O4,NiO和 TiO2组成的组中选出的任何一种氧化物。
18.如权利要求16所述的自旋晶体管，其中所述具有双钙钛矿结构的磁性材料由 A2BB' O6表示，其中A包括从Ca、Sr和Ba选出的至少一种，B是Fe或Co，B，是Mo或Re。
19.如权利要求16所述的自旋晶体管，其中所述磁性休斯勒合金包括从由X2YZ、X2YZ’、 X2Y' Z和Χ2Υ’ V组成的组中选出的至少一种化合物，其中X包括从Co、Fe和Ru选出的至 少一种，Y是Cr或Mn，Z是从Si、Ge、Sn、Al、Ga、Sb和Pb选出的任何一种。
20.如权利要求16所述的自旋晶体管，其中所述磁性半休斯勒合金是从MMnSb、 PdMnSb, PtMnSb, CoMnSb, IrMnSb, NiCrSb, FeMnSb, CoCrSb, NiVSb, CoVSb, CoTiSb, NiMnSe, NiMnTe, CoFeSb, NiFeSb和RhMnSb组成的组中选出的任何一种化合物。
21.如权利要求16所述的自旋晶体管，其中所述具有半金属特性的半导体是从CrAs、 MnAs和CrSe选出的任何一种材料。
22.如权利要求14所述的自旋晶体管，其中所述沟道由从C0Fe、C0FeB、Fe、C0、Mn和坡 莫合金组成的组中选出的任何一种材料形成。
23.如权利要求14所述的自旋晶体管，其中所述沟道由通过用过渡金属掺杂半导体以 获得磁特性而制备的稀磁半导体材料形成。
24.如权利要求23所述的自旋晶体管，其中所述稀磁半导体材料是从(In，Mn)AS、(Ga， Mn) As、(Zn，Co) O、(Zn，V) O、(Ga，Mn)N、(Ga，Cr)N、(Cd, Mn)GeP2, (Zn, Mn)GeP2, (Ti, Cr) O2 禾口 (Zn, Cr) Se组成的组中选出的任何一种材料。
25.如权利要求1所述的自旋晶体管，其中所述沟道、所述源极和所述漏极设置在同一 平面上。
26.如权利要求7所述的自旋晶体管，其中所述第一隧穿势垒在所述沟道上与所述第 二隧穿势垒分离，所述源极和所述漏极分别设置在所述第一隧穿势垒和所述第二隧穿势垒 上。
27.如权利要求7所述的自旋晶体管，其中所述源极、所述沟道和所述漏极设置为垂直 于衬底。
28.如权利要求27所述的自旋晶体管，其中所述第一隧穿势垒和所述第二隧穿势垒彼 此对应地设置在所述沟道的相对表面上，所述源极和所述漏极分别设置在所述第一隧穿势 垒和所述第二隧穿势垒上，并且所述栅极电极包括在所述沟道上与所述源极分离的第一栅极电极和在所述沟道上与 所述漏极分离的第二栅极电极。
29.一种操作权利要求1的自旋晶体管的方法，该方法包括从所述源极注入自旋极化电子；以及通过向所述沟道施加电场或磁场来控制所述沟道的磁化状态，以使自旋极化电子选择 性地通过。
30.如权利要求29所述的方法，其中所述控制操作是向所述栅极电极施加预定电压。
31.如权利要求29所述的方法，其中所述控制操作是向所述栅极电极和第二栅极电 极中的每个施加预定电压，该第二栅极电极设置在所述栅极电极上方且垂直于所述栅极电 极。
32.如权利要求29所述的方法，其中根据所述沟道的磁化状态，所述沟道仅使从所述 源极注入的自旋极化电子中具有特定自旋方向的自旋电子通过。
全文摘要
本发明公开了自旋晶体管及操作该自旋晶体管的方法。所公开的自旋晶体管包括沟道，由磁性材料形成且使具有特定方向的自旋极化电子选择性地通过；源极，由磁性材料形成；漏极；以及栅极电极。当预定电压施加到栅极电极时，沟道使具有特定方向的自旋极化电子选择性地通过，从而自旋晶体管被选择性地开启。
文档编号H01L29/80GK101855727SQ200880115280
公开日2010年10月6日 申请日期2008年11月4日 优先权日2007年11月9日
发明者李晟熏, 洪起夏, 申在光, 金钟燮 申请人:三星电子株式会社