CN100379018C

CN100379018C - 基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管

Info

Publication number: CN100379018C
Application number: CNB2005100643416A
Authority: CN
Inventors: 曾中明; 韩秀峰; 杜关祥; 魏红祥; 李飞飞; 詹文山
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2005-04-14
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2025-04-14
Also published as: CN1753187A

Abstract

本发明涉及基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管包括：衬底、发射极、基极、集电极和第一和第二隧道势垒层；其中第一隧道势垒层设置在发射极和基极之间，第二隧道势垒层在基极与集电极之间；并且发射极与基极间和基极与集电极间形成的隧道结的结面积的大小为1平方微米～10000平方微米；基极的厚度与该层材料的电子平均自由程可比拟；发射极、基极和集电极中有且仅有一极的磁化强度的方向是自由的。由于采用双势垒结构，克服了由于基极与集电极之间产生的肖特基势。其中，基极电流为调制信号，通过改变基极或集电极的磁化强度的方向，使集电极的信号与基极电流的调制模式相似，即发生共振隧穿效应，在合适的条件下可得到放大的信号。

Description

基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管

技术领域

本发明涉及一种固态开关及放大器件，即晶体管，尤其是一种基于双势垒隧道结共振隧穿效应的自旋晶体管器件。

背景技术

自1988年在磁性多层膜中发现巨磁阻效应(GMR)以来，在物理和材料科学的研究和应用中取得了很大进展。1993年Johnson[M.Johnson，Science 260(1993)320]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。图1是这种全金属自旋晶体管的示意图。这种全金属晶体管的速度可与半导体Si器件相比，但能耗低10-20倍，密度高约50倍，且耐辐射，具有记忆功能，可以组成未来量子计算机的各种逻辑电路、处理器等。后来IBM实验组提出了以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)。然而这类晶体管由于基极与集电极之间的肖特基势而有以下缺点：①缺乏对基极-集电极势能的控制；②在低发射极-基极电压下大的漏电流；③较小的集电极电流。1997年Zhang[X.D.Zhang，Phys.Rev.B56(1997)5484]从理论上预言了在磁性双势垒隧道结中存在隧道磁电阻(TMR)振荡现象，2002年S.Yuasa[S.Yuasa，Science 297(2002)234]在单势垒磁性隧道结中发现了自旋极化共振隧穿现象。而利用双势垒隧道结的共振隧穿效应制作的共振隧穿自旋晶体管，可以克服上述问题，具有以下优点：大的集电极电流；可变的基极-集电极电压；较小的漏电流；同时可用于磁敏开关、电流放大器件和振荡器件等。但由于对双势垒隧道结的研究甚少，且很难制备出完好的双势垒隧道结，目前，尚未有基于双势垒隧道结共振隧穿效应的自旋晶体管器件。

发明内容

本发明的目的在于克服已有的单势垒磁性隧道结自旋晶体管缺乏对基极-集电极势能的控制、在低发射极-基极电压下漏电流大，以及集电极电流较小的缺陷；从而提供一种具有大的集电极电流，和可变的基极-集电极电压，同时又具有较小的漏电流的、可用于磁敏开关、电流放大器件和振荡器件的，基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管。

本发明的目的是这样实现的：

如图2所示，本发明提供的一种基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管，包括：一衬底1，和在衬底1上设置发射极3、基极5、集电极7、第一隧道势垒层4，和一第一隧道势垒层4设置在发射极3和基极5之间；其特征在于：还包括第二隧道势垒层6；该第二隧道势垒层6在基极5与集电极7之间；并且发射极3与基极5间和基极5与集电极7间形成的隧道结的结面积的大小为1平方微米～10000平方微米；所述的基极5的厚度应当与该层材料的电子平均自由程可比拟；所述的发射极3、基极5和集电极7中有且仅有一极的磁化强度的方向是自由的，即该层的磁化强度的方向可随外加磁场而发生改变。

所述的衬底包括由绝缘材料或非绝缘材，或半导体材料制成；所述的绝缘材料包括：Al₂O₃，SiO₂或Si₃N₄，其衬底的厚度为0.3mm到5mm。

所述的非绝缘材料包括：Cu，Al。

所述的半导体材料包括：Si、Ga、GaN、GaAs、GaAlAs、InGaAs或InAs。

在上述的技术方案中，当衬底为非绝缘材料或半导体材料制成时，还包括在衬底上设置一绝缘材料层2，该绝缘材料层2的厚度为：10-500nm。所述的绝缘材料层2包括：三氧化二铝(Al₂O₃)、二氧化硅(SiO₂)，氮化硅(Si₃N₄)。

在上述的技术方案中，还包括一个导电保护层8，该导电保护层8设置在发射极3、基极5和集电极7上，该导电保护层8包括：金、铂、银、铝、钽等或其它抗氧化金属导电材料制作，其厚度为：0.5～10nm。

在上述的技术方案中，所述的发射极3包括：用铁磁性材料FM、半金属磁性材料HM、磁性半导体材料MSC、或有机磁性材料OM、半导体材料SC、非磁性金属材料NM、或Nb等金属或YBa₂Cu₃O₇等Cu-O系列的超导材料SP制作，其厚度为：2nm～20nm。

在上述的技术方案中，所述的基极5包括：铁磁性材料FM、半金属磁性材料HM、磁性半导体材料MSC、或有机磁性材料OM、非磁性金属材料NM、半导体材料SC；该基极5的厚度为：2nm～20nm。

在上述的技术方案中，所述的集电极7包括：铁磁性材料FM、半金属磁性材料HM、磁性半导体材料MSC、或有机磁性材料OM、非磁性金属材料NM、半导体材料SC；该集电极7的厚度为：2nm～20nm。

所述的铁磁性材料包括：Fe、Co、Ni等3d过渡族磁性金属，Sm、Gd、Nd等稀土金属，Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe、Gd-Y等铁磁性合金。

在上述的技术方案中，铁磁性的磁化强度的方向可由反铁磁性层钉扎，该反铁磁性层可由Ir、Fe、Rh、Pt或Pd与Mn的合金材料制成或其它CoO、NiO、PtCr等反铁磁性材料构成。

所述的半金属磁性材料HM包括：Fe₃O₄、CrO₂、La_0.7Sr_0.3MnO₃和Co₂MnSi等Heussler合金。

所述的非磁性金属材料NM包括：Au、Ag、Pt、Cu、Ru、Al、Cr或其合金。

所述的磁性半导体材料MSC包括：Fe、Co、Ni、V、Mn掺杂的ZnO、TiO₂、HfO₂和SnO₂，也包括：Mn掺杂的GaAs、InAs、GaN和ZnTe。

所述的有机磁性材料OM包括二茂金属高分子有机磁性材料和硬脂酸锰。

所述的半导体SC包括：Si、Ga、GaN、GaAs、GaAlAs、InGaAs或InAs。

在上述的技术方案中，所述的第一隧道势垒层4和第二隧道势垒层6由绝缘材料制成，该绝缘材料包括金属氧化物绝缘膜、金属氮化物绝缘膜、有机或无机材料绝缘膜、类金刚石薄膜、或EuS；该第一隧道势垒层的厚度为：0.5～3.0nm；第二隧道势垒层的厚度为：0.5～4.0nm；其中两个隧道势垒层的厚度和材料可以相同或者不相同。

所述的金属氧化物绝缘膜和金属氮化物绝缘膜的金属选自Al、Mg、Ta、Zr、Zn、Sn、Nb和Ga的金属元素。

该结构中基极的厚度应当与该层材料的电子平均自由程可比，这样，当电子从发射极隧穿到集电极时，由于电子在基极5中所受散射较弱而保持了电子的自旋相位记忆。

以上构成的双势垒隧道结共振隧道效应的晶体管按下述原理工作。

以图3a为例进行说明，只要发射极3、基极5和集电极7被接地，发射极3、基极5、集电极7、第一隧道势垒层4和第二隧道势垒层6就可以处于一种热平衡状态。图4是实施例1的双势垒隧道结电子共振隧穿的示意图，该图示出了隧穿电子在发射极3与集电极7的磁化强度的方向处于平行、反平行两种状态下的隧穿过程。在平行状态时，发射极3中自旋方向与集电极7的磁化强度的方向相同的多数隧穿电子能隧穿过势垒和中间金属层，而与集电极7的磁化强度的方向相反的少数自旋电子或被杂质散射引起自旋方向发生反转的电子不能隧穿到集电极7，此时，集电极7有较大的电流通过；而在反平行状态时，只有少数自旋方向与集电极7的磁化强度的方向相同的隧穿电子能隧穿到集电极7，而多数自旋方向与集电极7的磁化强度的方向相反的隧穿电子不能隧穿到集电极7，此时，集电极7有较小的电流通过。同时，由于发射极3的磁化强度的方向是固定的，而集电极7的磁化强度的方向是可以随磁场发生改变的，因此可以通过改变集电极7的磁化强度的方向来改变集电极7的电流大小。其形成过程如下，基极电流为调制信号，通过改变集电极7的磁化强度的方向从而使集电极7的信号与基极电流的调制模式相似，即发生共振隧穿效应，在合适的条件下，可得到放大的信号。

本发明提供的一种基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管的制备方法，包括下列步骤：

(1)通过磁控溅射设备或其它制薄膜设备，在硅衬底1上，制备一个由厚度为4nm的非磁金属性层NM或半导体层SC或磁性材料层(FM、HM、MSC、OM)构成的基极5；

(2)然后，第一隧道势垒层4和第二隧道势垒层6形成于基极5之上；

(3)由磁性材料层(包括铁磁性材料FM、或半金属磁性材料HM、或磁性半导体材料MSC、有机磁性材料OM)制成的发射极3和集电极7形成于隧道势垒层4和6之上；

(4)采用不同矫顽力的磁性材料制作发射极3和集电极7，或通过微加工技术控制发射极3和集电极7结面积和形状的相对大小，使得发射极3和集电极7的反转场不一样，因而，一个磁电极的磁化强度的方向相对固定，而另一个磁电极的磁化强度的方向反转则相对自由；

(5)最后一个由金、铂等抗氧化的金属制作的导电保护层8设置在基极5、发射极3和集电极7之上。

本发明的优点在于：

本发明的双势垒隧道结晶体管器件，由于采用双势垒结构，克服了由于基极与集电极之间产生的肖特基势，而该晶体管有较小漏电流和较大集电极电流，同时基于这种结构的器件具有一定的电流或电压增益，即小信号的输入能产生较大的输出。其中，基极电流为调制信号，通过改变基极或集电极的磁化强度的方向，从而使集电极的信号与基极电流的调制模式相似，即发生共振隧穿效应，在合适的条件下，可得到放大的信号。

附图说明

图1是基于“铁磁性金属/非磁性金属/铁磁性金属”结构的全金属自旋晶体管

图2是本发明的基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管结构示意图

图3a是本发明的实施例1～8，12的晶体管结构剖面图

图3b是本发明的实施例9，10的晶体管结构剖面图

图3c是本发明的实施例11的晶体管结构剖面图

图3d是本发明的实施例13～16的晶体管结构剖面图

图4是实施例1的双势垒隧道结电子共振隧穿的示意图

图5是实施例2的双势垒隧道结电子共振隧穿的示意图

图6是实施例4的双势垒隧道结电子共振隧穿的示意图

图7是实施例5的双势垒隧道结电子共振隧穿的示意图

图8是实施例9的双势垒隧道结电子共振隧穿的示意图

图9是实施例10的双势垒隧道结电子共振隧穿的示意图

图面说明：

衬底-1 绝缘层-2 发射极-3

第一隧道势垒层-4 基极-5 第二隧道势垒层-6

集电极-7 导电保护层-8

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细地说明

实施例1

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参考图3a，制备一本发明的双势垒隧道结共振隧穿效应的自旋晶体管。该双势垒隧道结共振隧穿效应的自旋晶体管，由一厚度为0.4mm的Si材料作为衬底1，在Si衬底1上形成一层由SiO₂构成10nm厚的绝缘层2，在绝缘层2上形成一发射极3，该发射极3由厚度为12nm的反铁磁性层Ir-Mn和8nm的Fe构成，该反铁磁性层Ir-Mn用于固定发射极3的磁化强度的方向；采用Al₂O₃材料制作的第一隧道势垒层4形成于发射极3之上；其第一隧道势垒层4厚度为1nm。并在第一隧道势垒层4之上形成一厚度为8nm的基极5，该基极5由非磁性金属Cu制成。一个Al₂O₃层形成于基极5之上，作为第二隧道势垒层6，其第二隧道势垒层6厚度为1.6nm；一个由Co-Fe磁性材料层制成的集电极7形成于第二隧道势垒层6之上，厚度为8nm，该集电极7的磁化强度的方向是自由的，可随外部磁场而发生改变；采用Pt或Au材料制作的一个导电保护层8设置在发射极3、基极5和集电极7上，导电保护层8厚度为10nm。

本实施例的晶体管中，发射极3与基极5间和基极5与集电极7间形成的隧道结的结面积的大小为1平方微米。

实施例2

参考图3a，制备一本发明的双势垒隧道结共振隧穿效应的自旋晶体管。该双势垒隧道结共振隧穿效应的自旋晶体管，由一厚度为0.6mm的Si材料作为衬底1，在Si衬底1上形成一层由SiO₂构成100nm厚的绝缘层2，在绝缘层2上形成一发射极3，该发射极3由厚度为15nm的反铁磁性层Fe-Mn和厚度为4nm的La_0.7Sr_0.3MnO₃半金属材料层构成，该发射极3的磁化强度的方向是固定的；采用SrTiO₃材料制作的第一隧道势垒层4形成于发射极3之上，其第一隧道势垒层4厚度为1.0nm；并在第一隧道势垒层4之上形成一厚度为4nm的基极5，该基极5由非磁性金属材料Ru层构成；一个SrTiO₃层形成于基极5之上，作为第二隧道势垒层6，其第二隧道势垒层6厚度为1.3nm；一个由La_0.7Sr_0.3MnO₃半金属材料层制成的集电极7形成于第二隧道势垒层6之上，厚度为4nm，该集电极7的磁化强度的方向相对自由，可随外部磁场而发生改变；采用Pt或Au材料制作的一个导电保护层设置在发射极3、基极5和集电极7上，导电保护层8厚度为6nm。

图5为该双势垒隧道结电子共振隧穿的示意图。在这种结构中，由于La_0.7Sr_0.3MnO₃半金属磁性材料具有可高达100％的自旋极化率，当发射极3与集电极7的磁化强度的方向平行时，几乎所有电子都隧穿到集电极7，此时集电极7有较大的电流通过。相反，当处于发射极3与集电极7的磁化强度的方向处于相反时，仅有很少的隧穿电子通过散射或其他作用隧穿到集电极7，此时集电极7有较小的电流通过。与实施例1所述原理一样，也可以通过改变集电极7的磁化强度的方向，从而使隧穿电子在发射极3和集电极7间发生共振隧穿，在合适的条件下使集电极7得到放大的电流。

本实施例的晶体管中，发射极3与基极5间和基极5与集电极7间形成的隧道结的结面积的大小为100平方微米。

实施例3

参考图3a，制备一本发明的双势垒隧道结共振隧穿效应的自旋晶体管。

该双势垒隧道结共振隧穿效应的自旋晶体管，由一厚度为0.6mm的Si材料作为衬底1，在Si衬底1上形成一层由SiO₂构成300nm厚的绝缘层2，在绝缘层2上形成一发射极3，该发射极3由厚度为4nm的GaMnAs磁性半导体材料层构成。该发射极3的磁化强度的方向是相对自由的，可随外部磁场而发生改变；采用MgO材料制作的第一隧道势垒层4形成于发射极3之上；其第一隧道势垒层4厚度为1.0nm。并在第一隧道势垒层4之上形成一厚度为5nm的基极5，该基极5由非磁性金属材料Cr层构成；一个MgO层形成于基极5之上，作为第二隧道势垒层6，其第二隧道势垒层6厚度为1.3nm；一个由GaMnAs磁性半导体材料层制成的集电极7形成于第二隧道势垒层6之上，厚度为8nm，一个厚度为20nm的反铁磁材料PtCr形成于集电极7之上，用于固定集电极7的磁化强度的方向。采用Pt或Au材料制作的一个导电保护层设置在发射极3、基极5和集电极7上，导电保护层8厚度为6nm。

本实施例的晶体管中，发射极3与基极5间和基极5与集电极7间形成的隧道结的结面积的大小为1000平方微米。

实施例4

该双势垒隧道结共振隧穿效应的自旋晶体管，由一厚度为1mm的Al₂O₃材料作为衬底1，在Al₂O₃衬底1上形成一发射极3，该发射极3由厚度为15nm的反铁磁性层Ir-Mn和厚度为8nm的Co-Fe-B合金材料层构成。该发射极3的磁化强度的方向是固定的；采用MgO材料制作的第一隧道势垒层4形成于发射极3之上；其第一隧道势垒层4厚度为1.8nm。并在第一隧道势垒层4之上形成一厚度为4nm的基极5，该基极5由矫顽力较大的Co-Fe磁性材料层构成；其磁化强度的方向也是相对固定的，且与发射极3的磁化强度的方向平行。一个MgO层形成于基极5之上，作为第二隧道势垒层6，其第二隧道势垒层6厚度为2.7nm；一个由矫顽力较小的Ni-Fe磁性材料层制成的集电极7形成于第二隧道势垒层6之上，厚度为8nm，该集电极7的磁化强度的方向相对自由，可随外部磁场而发生改变；采用Pt或Au材料制作的一个导电保护层设置在发射极3、基极5和集电极7上，导电保护层8厚度为6nm。

这种双势垒隧道结自旋晶体管的运作原理如下，图6是这种晶体管的双势垒隧道结电子共振隧穿的示意图。由于基极材料是磁性材料，其输运特性与自旋相关。因此，当发射极3、基极5和集电极7的磁化强度的方向处于平行状态时，发射极3中与上、中、下三个电极的磁化强度的方向一致的多数电子将穿过基极5和两个势垒层进入集电极7；而发射极3中与上、中、下三个电极的磁化强度的方向相反的少数电子，将受到很强的散射作用而不能隧穿到集电极7，尽管如此，这种情况下集电极7的电流仍比较大；而当集电极7的磁化强度的方向与基极5的磁化强度的方向相反时，虽然发射极3中多数自旋子带的电子能隧穿过第一隧道势垒层，但由于与集电极7的磁化强度的方向相反而受到强烈的散射作用(相当于镜面散射)而停留在中间基极5发生振荡，仅有很少隧穿电子由于受到杂质散射或其他非弹性散射作用导致自旋反转、可以通过第二隧道势垒层而进入集电极7，此时集电极7的电流较小。同前述实施例的原理一样，也可以通过改变集电极7的磁化强度的方向，从而使隧穿电子在发射极3和集电极7间发生共振隧穿，在合适的条件下在集电极7得到放大的电流。

本实施例的晶体管中，发射极3与基极5间和基极5与集电极7间形成的隧道结的结面积的大小为10000平方微米。

实施例5

该双势垒隧道结共振隧穿效应的自旋晶体管，由一厚度为1mm的Si₃N₄材料作为衬底1，在Si₃N₄衬底1上形成一发射极3，该发射极3由厚度为15nm的反铁磁性层Ir-Mn和厚度为8nm的La_0.7Sr_0.3MnO₃半金属材料层构成。该发射极3的磁化强度的方向是固定的；采用SrTiO₃材料制作的第一隧道势垒层4形成于发射极3之上；其第一隧道势垒层4厚度为1.0nm。并在第一隧道势垒层4之上形成一厚度为4nm的基极5，该基极5由La_0.7Sr_0.3MnO₃半金属材料层构成；其磁化强度的方向也是相对固定的，且与发射极3的磁化强度的方向平行。一个SrTiO₃层形成于基极5之上，作为第二隧道势垒层6，其第二隧道势垒层6厚度为1.3nm；一个由矫顽力较小的Co₂MnSi半金属材料层制成的集电极7形成于第二隧道势垒层6之上，厚度为4nm，该集电极7的磁化强度的方向相对自由，可随外部磁场而发生改变；采用Pt或Au材料制作的一个导电保护层设置在发射极3、基极5和集电极7上，导电保护层8厚度为6nm。

这种双势垒隧道结自旋晶体管的运作原理类似于实施例4，图7是这种晶体管的双势垒隧道结电子共振隧穿的示意图。由于半金属磁性材料具有高达100％的自旋极化率，当发射极3、基极5与集电极7的磁化强度的方向平行时，几乎所有隧穿电子都隧穿到集电极7，此时集电极7有较大的电流通过。相反，当发射极3、基极5与集电极7的磁化强度的方向反向平行时，仅有很少的隧穿电子通过散射或其他作用隧穿到集电极7，此时集电极7有较小的电流通过。与前述实例一样，也可以通过改变集电极7的磁化强度的方向，从而使隧穿电子在发射极3和集电极7间发生共振隧穿，在合适的条件下使集电极7得到放大的电流。

实施例6

参考图3a，制备一本发明的双势垒隧道结共振隧穿效应的自旋晶体管，它由一厚度为1mm的Si作衬底1，在Si衬底1上形成一层由SiO₂构成500nm厚的绝缘层2，在绝缘层2上形成一发射极3，该发射极3由厚度为15nm的反铁磁性层Ni-Mn和厚度为4nm掺Co的ZnO磁性半导体材料层构成。该发射极3的磁化强度的方向是固定的；采用ZrO₂材料制作的第一隧道势垒层4形成于发射极3之上；其第一隧道势垒层4厚度为1.0nm。并在第一隧道势垒层4之上形成一厚度为4nm的基极5，该基极5由掺Co的ZnO磁性半导体材料层构成；其磁化强度的方向是相对自由的，可随外部磁场而发生改变；一个ZrO₂层形成于基极5之上，作为第二隧道势垒层6，其第二隧道势垒层6厚度为1.3nm；一个由厚度为4nm掺Co的ZnO磁性半导体材料和厚度为15nm的反铁磁性层Ni-Mn制成的集电极7形成于第二隧道势垒层6之上，该集电极7的磁化强度的方向相对固定的，且与发射极3的磁化强度的方向是平行的；采用Pt或Ta材料制作的一个导电保护层设置在发射极3、基极5和集电极7上，导电保护层8厚度为6nm。

图8是这种晶体管的双势垒隧道结电子共振隧穿的示意图。与实施例4不同的是：在实施例4中，通过改变集电极7的磁化强度的方向来改变集电极7的电流；而在本实施例中，由于发射极3和集电极7的磁化强度的方向是相对固定的，只有基极5的磁化强度的方向是自由的，因此，通过改变基极5的磁化强度的方向来改变集电极7的电流。其运作原理类似于实施例4。在此略去详细工作过程。

实施例7

参考图3a，制备一本发明的双势垒隧道结共振隧穿效应的自旋晶体管，该晶体管由一厚度为1mm的GaAs作衬底1，在GaAs衬底1上形成一层由SiO₂构成260nm厚的绝缘层2，在绝缘层2上形成一发射极3，该发射极3由厚度为10nm的反铁磁性层Ir-Mn和厚度为8nm的硬脂酸锰有机磁性材料层构成。该发射极3的磁化强度的方向是固定的；采用Al₂O₃材料制作的第一隧道势垒层4形成于发射极3之上；其第一隧道势垒层4厚度为1.0nm。并在第一隧道势垒层4之上形成一厚度为4nm的基极5，该基极5由硬脂酸锰有机磁性材料层构成；其磁化强度的方向是相对自由的，可随外部磁场而发生改变；一个Al₂O₃层形成于基极5之上，作为第二隧道势垒层6，其第二隧道势垒层6厚度为1.3nm；一个由厚度为4nm的硬脂酸锰有机磁性材料层和厚度为10nm的反铁磁性层Ir-Mn制成的集电极7形成于第二隧道势垒层6之上，该集电极7的磁化强度的方向相对固定的，且与发射极3的磁化强度的方向是平行的；采用Pt或Ta材料制作的一个导电保护层设置在发射极3、基极5和集电极7上，导电保护层8厚度为6nm。

其运作原理类似于实施例6。在此略去详细工作过程。

实施例8

参考图3a，制备一本发明的双势垒隧道结共振隧穿效应的自旋晶体管，该自旋晶体管由一厚度为1mm的GaAs作衬底1，在GaAs衬底1上形成一层由SiO₂构成400nm厚的绝缘层2，在绝缘层2上形成一发射极3，该发射极3由厚度为10nm的反铁磁性层Ir-Mn、4nm的Co-Fe、0.9nm的Ru和厚度为4nm的Co-Fe-B磁性材料层构成，该发射极3的磁化强度的方向是固定的；采用MgO材料制作的第一隧道势垒层4形成于发射极3之上；其第一隧道势垒层4厚度为1.8nm。并在第一隧道势垒层4之上形成一厚度为4nm的基极5，该基极5由Co-Fe-B磁性材料层构成；其磁化强度的方向是相对自由的，可随外部磁场而发生改变；一个MgO层形成于基极5之上，作为第二隧道势垒层6，其第二隧道势垒层6厚度为2.5nm；一个由厚度为4nm的Co-Fe-B磁性材料层、0.9nm的Ru、4nm的Co-Fe和厚度为10nm的反铁磁性层Ir-Mn制成的集电极7形成于第二隧道势垒层6之上，该集电极7的磁化强度的方向相对固定的，且与发射极3的磁化强度的方向是平行的；采用Pt或Ta材料制作的一个导电保护层设置在发射极3、基极5和集电极7上，导电保护层8厚度为6nm。

应当注意的是，其中Co-Fe/Ru/Co-Fe-B为人工合成反铁磁性材料，本实施例采用反铁磁性材料Ir-Mn和Co-Fe/Ru/Co-Fe-B人工反铁磁性材料来固定磁性层的磁化强度的方向，采用这种结构有利于提高交换偏置场，从而改善晶体管的性能。其运作原理类似于实施例6，在此略去详细工作过程。

实施例9

参考图3b，制备一本发明的双势垒隧道结共振隧穿效应的自旋晶体管，该自旋晶体管是在由Si或GaAs半导体材料构成的基片1上，形成一层由二氧化硅(SiO₂)，或其它Al₂O₃、Si₃N₄绝缘材料制成120nm厚的绝缘层2，此绝缘层用于隔离基极5与发射极3，该半导体基片充当发射极3；一个用Al₂O₃或MgO材料制作的第一隧道势垒层4形成于发射极3之上，其厚度为1.0nm；并在第一隧道势垒层4之上形成一个由厚度为6nm的Ni-Fe磁性材料层构成的基极5，该Ni-Fe层的磁化强度的方向是自由的，可随外部磁场或电流引导发生改变；一个由Al₂O₃或MgO材料制作的第二隧道势垒层6形成于基极5之上，其第二隧道势垒层5厚度为1.6nm；一个由Co-Fe-Ni磁性材料制成的厚度为6nm的集电极7形成于第二隧道势垒层6之上的，该层的磁化强度的方向由反铁磁性层Fe-Mn钉扎而固定。一个采用Au或Pt材料制作的导电保护层8设置在发射极3、基极5和集电极7之上，厚度为6nm。

图9是这种晶体管的双势垒隧道结电子共振隧穿的示意图。该图表示出了隧穿电子在基极5与集电极7的磁化强度的方向处于平行、反平行两种状态下的隧穿过程。在平行状态时，发射极3中自旋方向与集电极7的磁化强度的方向相同的多数隧穿电子能隧穿过势垒和中间基极5，而与集电极7的磁化强度的方向相反的少数自旋电子或被杂质散射引起自旋方向发生反转的电子不能隧穿到集电极7，此时，集电极7有较大的电流通过；而在反平行状态时，只有少数自旋方向与集电极7的磁化强度的方向相同的隧穿电子能隧穿到集电极7，而多数自旋方向与集电极7的磁化强度的方向相反的隧穿电子不能隧穿到集电极7，此时，集电极7有较小的电流通过。同时，由于集电极7的磁化强度的方向是固定的，而基极5的磁化强度的方向是可以随磁场发生改变的，因此可以通过改变基极5的磁化强度的方向来改变集电极7的电流大小。其形成过程如下，基极5电流为调制信号，通过改变基极5的磁化强度的方向从而使集电极7的信号与基极5电流的调制模式相似，即发生共振隧穿效应，在合适的条件下，可得到放大的信号。

实施例10

参考图3b，制备一本发明的双势垒隧道结共振隧穿效应的自旋晶体管，该自旋晶体管在由Si或GaAs半导体材料构成的基片1上，形成一层由二氧化硅(SiO₂)或类似材料制成360nm厚的绝缘层2；在绝缘层2形成由厚度为10nm的超导材料YBa₂Cu₃O₇制成的发射极3；一个用Al₂O₃材料制作的第一隧道势垒层4形成于发射极3之上，其厚度为1.0nm；并在第一隧道势垒层4之上形成一个由厚度为3nm的Sm磁性材料层构成的基极5，该Sm层的磁化强度的方向是自由的，可随外部磁场或电流引导发生改变；一个由Al₂O₃材料制作的第二隧道势垒层6形成于基极5之上，其第二隧道势垒层5厚度为1.6nm；一个由Gd-Y磁性材料制成的厚度为6nm的集电极7形成于第二隧道势垒层6之上的，该层的磁化强度的方向由反铁磁性层Pd-Mn或Rh-Mn钉扎而固定。一个采用Au或Ta材料制作的导电保护层8设置在发射极3、基极5和集电极7之上，厚度为5nm。

其运作原理类似于实施例9，在此略去详细工作过程。

实施例11

参考图3c，制备一本发明的双势垒隧道结共振隧穿效应的自旋晶体管。

该双势垒隧道结共振隧穿效应的自旋晶体管，在由Si或GaAs半导体材料构成的基片1上，形成一层由二氧化硅(SiO₂)或类似材料制成的绝缘层2，此绝缘层用于隔离基极5与集电极7，该半导体基片充当集电极7；一个用Al₂O₃或MgO材料制作的第一隧道势垒层4形成于集电极7之上，其厚度为1.0nm；并在第一隧道势垒层4之上形成一个由厚度为4nm的Ni-Fe磁性材料层构成的基极5，该Ni-Fe层的磁化强度的方向是自由的，可随外部磁场或电流引导发生改变；一个由Al₂O₃或MgO材料制作的第二隧道势垒层6形成于基极5之上，其第二隧道势垒层5厚度为1.6nm；一个由Co-Fe磁性材料制成的厚度为6nm的发射极3形成于第二隧道势垒层6之上的，该层的磁化强度的方向由反铁磁性层Pt-Mn钉扎而固定。一个采用Au或Pt材料制作的导电保护层8设置在发射极3、基极5和集电极7之上，厚度为6nm。

其运作原理类似于实施例9，在此略去详细工作过程。

实施例12

该双势垒隧道结共振隧穿效应的自旋晶体管，在由GaN或GaAs半导体材料构成的基片1上，形成一层由二氧化硅(SiO₂)或类似材料制成100nm厚的绝缘层2；在绝缘层2形成由厚度为10nm的非磁性金属Cu制成的发射极3；一个用Al₂O₃或MgO材料制作的第一隧道势垒层4形成于发射极3之上，其厚度为1.0nm；并在第一隧道势垒层4之上形成一个由厚度为5nm的CrO₂磁性材料层构成的基极5，该Ni-Fe层的磁化强度的方向是自由的，可随外部磁场或电流引导发生改变；一个由Al₂O₃或MgO材料制作的第二隧道势垒层6形成于基极5之上，其第二隧道势垒层5厚度为1.6nm；一个由CrO₂半金属材料制成的厚度为6nm的集电极7形成于第二隧道势垒层6之上的，该层的磁化强度的方向由反铁磁性层Ni-Mn钉扎而固定。一个采用Au或Ta材料制作的导电保护层8设置在发射极3、基极5和集电极7之上，厚度为5nm。

实施例13

参考图3d，制备一本发明的双势垒隧道结共振隧穿效应的自旋晶体管。

在由InGaAs半导体材料构成的基片1上，形成由厚度为10nm的GaAs制成的基极5；采用Al₂O₃制作的第一隧道势垒层4和6形成于基极5之上；用厚度为8nm的Co-Fe制成的发射极3和集电极7形成于第一隧道势垒层4和6上，其厚度为6nm；采用光刻等微加工技术控制发射极3和集电极7结区的相对大小，使它们的反转场不一样，因而一个磁电极的磁化强度的方向相对固定而另一个磁电极则相对自由。一个采用Au材料制作的厚度为6nm的导电保护电极层8设置在发射极3、基极5和集电极7之上，其厚度为8nm。其中发射极3和集电极7之间的距离小于5微米。

实施例14

参考图3d，制备一本发明的双势垒隧道结共振隧穿效应的自旋晶体管，该自旋晶体管在一Si半导体材料构成的基片1上，形成由厚度为10nm的Co-Fe-B制成的基极5；采用MgO制作的第一隧道势垒层4和6形成于基极5之上；由厚度15nm的反铁磁材料Ir-Mn和厚度为6nm的La_0.7Sr_0.3MnO₃制成的发射极3和集电极7形成于第一隧道势垒层4和6上，反铁磁材料Ir-Mn形成于La_0.7Sr_0.3MnO₃之上；采用光刻技术控制发射极3和集电极7结区的相对大小。一个采用Au材料制作的厚度为6nm的导电保护电极层8设置在发射极3、基极5和集电极7之上，其厚度为8nm。其中在这种晶体管中，发射极3和集电极7之间的距离小于1微米。

实施例15

参考图3d，制备一本发明的双势垒隧道结共振隧穿效应的自旋晶体管，该自旋晶体管在一Si半导体材料构成的基片1上，形成由厚度为4nm的Co-Fe-B制成的基极5；采用AlN制作的第一隧道势垒层4和6形成于基极5之上；由厚度15nm的反铁磁材料NiO和厚度为6nm的La_0.7Sr_0.3MnO₃制成的发射极3和集电极7形成于第一隧道势垒层4和6上，反铁磁材料NiO形成于La_0.7Sr_0.3MnO₃之上；采用光刻等微加工技术控制发射极3和集电极7结区的相对大小。一个采用Au材料制作的厚度为6nm的导电保护电极层8设置在发射极3、基极5和集电极7之上，其厚度为8nm。

实施例16

参考图3d，制备一本发明的双势垒隧道结共振隧穿效应的自旋晶体管，该自旋晶体管在一InAs半导体材料构成的基片1上，形成由厚度为4nm的Co-Fe-B制成的基极5；采用EuS制作的第一隧道势垒层4和6形成于基极5之上；由厚度15nm的反铁磁材料NiO和厚度为4nm的Mn掺杂HfO₂磁性半导体制成的发射极3和集电极7形成于第一隧道势垒层4和6上，反铁磁材料CoO形成于Mn掺杂HfO₂磁性半导体材料之上；采用光刻等微加工技术控制发射极3和集电极7结区的相对大小。一个采用Au材料制作的厚度为6nm的导电保护电极层8设置在发射极3、基极5和集电极7之上，其厚度为8nm。

虽然已结合附图对本发明进行了充分的描述，但需要注意，对于本领域的普通技术人员来说，各种改变和修改都是可能的。因此，除了这种改变和修改背离本发明的范畴之外，它们都应被包括在本发明之中。

Claims

1.一种基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管包括：一衬底(1)，和在衬底(1)上顺序设置发射极(3)、基极(5)、集电极(7)，和一设置在发射极(3)和基极(5)之间的第一隧道势垒层(4)；其特征在于，还包括第二隧道势垒层(6)；该第二隧道势垒层(6)设置在基极(5)与集电极(7)之间；并且发射极(3)与基极(5)间和基极(5)与集电极(7)间形成的隧道结的结面积的大小为1平方微米～10000平方微米；所述的基极(5)的厚度与该层材料的电子平均自由程可比拟；所述的发射极(3)、基极(5)和集电极(7)中有且仅有一极的磁化强度的方向是自由的。

2.按权利要求1所述的基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管，其特征在于，所述的衬底(1)包括由绝缘材料或非绝缘材，或半导体材料制成；其衬底(1)的厚度为0.3mm到5mm；所述的绝缘材料包括：Al₂O₃，SiO₂或Si₃N₄；所述的非绝缘材料包括：Cu，或Al；所述的半导体材料包括：Si、Ga、GaN、GaAs、GaAlAs、InGaAs或InAs。

3.按权利要求2所述的基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管，其特征在于，当衬底(1)为非绝缘材料或半导体材料时，还包括在衬底上设置一绝缘材料层(2)，该绝缘材料层(2)的厚度为：10～500nm；所述的绝缘材料层(2)包括：Al₂O₃或Si₃N₄。

4.按权利要求1或3所述的基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管，其特征在于，还包括一个导电保护层(8)，该导电保护层(8)设置在发射极(3)、基极(5)和集电极(7)上，该导电保护层(8)包括：金、铂、银、铝、钽或抗氧化金属导电材料制作，其厚度为：0.5～10nm。

5.按权利要求1所述的基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管，其特征在于，所述的发射极(3)、基极(5)或集电极(7)包括：用铁磁性材料、半金属磁性材料、磁性半导体材料、有机磁性材料、半导体材料或非磁性金属材料制作；所述的发射极(3)还包括Nb金属或YBa₂Cu₃O₇超导材料制作，其发射极(3)、基极(5)或集电极(7)厚度为：2nm～20nm。

6.按权利要求5所述的基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管，其特征在于，所述的铁磁性材料包括：Fe、Co、Ni的3d过渡族磁性金属Sm、Gd或Nd稀土金属；Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe或Gd-Y铁磁性合金。

7.按权利要求5所述的基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管，其特征在于，所述的半金属磁性材料包括：Fe₃O₄、CrO₂、La_0.7Sr_0.3MnO₃或Co₂MnSi的Heussler合金。

8.按权利要求5所述的基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管，其特征在于，所述的磁性半导体材料包括：Fe、Co、Ni、V、Mn掺杂的ZnO、TiO₂、HfO₂或SnO₂，也包括：Mn掺杂的GaAs、InAs、GaN或ZnTe。

9.按权利要求5所述的基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管，其特征在于，所述的有机磁性材料包括二茂金属高分子有机磁性材料或硬脂酸锰。

10.按权利要求5所述的基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管，其特征在于，所述的非磁性材料包括：Au、Ag、Pt、Cu、Ru、Al、Cr或其合金。

11.按权利要求5所述的基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管，其特征在于，所述的半导体包括：Si、Ga、GaN、GaAs、GaAlAs、InGaAs或InAs。

12.按权利要求1所述的基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管，其特征在于，所述的第一隧道势垒层(4)和第二隧道势垒层(6)由绝缘材料制成，该绝缘材料包括金属氧化物绝缘膜、金属氮化物绝缘膜、有机或无机材料绝缘膜、类金刚石薄膜、或EuS；第一隧道势垒层的厚度为：0.5～3.0nm；第二隧道势垒层的厚度为：0.5～4.0nm；其中两个隧道势垒层的厚度和材料可以相同或者不相同。

13.按权利要求12所述的基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管，其特征在于，所述的金属氧化物绝缘膜和金属氮化物绝缘膜的金属选自Al、Ta、Zr、Zn、Sn、Nb、Ga或Mg的金属元素。

14.按权利要求6所述的基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管，其特征在于，所述的铁磁性的磁化强度的方向可由反铁磁性层钉扎，该反铁磁性层由Ir、Fe、Rh、Pt或Pd与Mn的合金材料制成，或CoO、NiO或PtCr的反铁磁性材料构成。