CN1606170A - 基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管，具有一个发射极(L1)、一个基极(L2)、一个集电极(L3)、第一隧道阻挡层(I1)和第二隧道阻挡层(I2)；第一隧道阻挡层(I1)位于发射极(L1)和基极(L2)之间，第二隧道阻挡层(I2)位于基极(L2)和集电极(L3)之间。采用这种结构，基极电流为调制信号，通过它使集电极的磁化方向改变，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。由于这种共振隧穿自旋晶体管制作的电流放大器的频带宽度取决于集电极的磁化方向反转速度，因而这样的电流放大器可以以千兆赫的频率变化。
Description
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。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]在磁性隧道结中发现了自旋极化共振隧穿现象。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，可用于电流放大器等。但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
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管。
为实现上述目的，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：两个隧道阻挡层，一个由铁磁性材料或半金属磁性材料组成的发射极，一个由铁磁性材料、或半金属磁性材料、或非磁性金属材料、或半导体材料、或超导材料组成的基极，一个由铁磁性材料或半金属磁性材料或半导体材料组成的集电极；所述两个隧道阻挡层分别在发射极、基极和集电极之间各构成一个隧道阻挡层。
本发明的优点在于：采用这种结构，基极电流为调制信号，通过它使集电极的磁化方向改变，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。由于这种共振隧穿自旋晶体管制作的电流放大器的频带宽度取决于集电极的磁化方向反转速度，因而这样的电流放大器可以以千兆赫的频率变化。
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3是本发明的基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管剖示图。
图4是第一实施例的双势垒隧道结电子共振隧穿的示意图。
图5是第二实施例的双势垒隧道结电子共振隧穿的示意图。
图6是第三实施例的双势垒隧道结电子共振隧穿的示意图。
图7是第四实施例的双势垒隧道结电子共振隧穿的示意图。
图8是改进型的基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管结构示意剖图。
具体实施方式：
如图2所示的a和b，本发明包括第一隧道阻挡层I1和第二隧道阻挡层I2，一个由铁磁性材料或半金属磁性材料组成的发射极L1，一个由铁磁性材料、或半金属磁性材料、或非磁性金属材料、或半导体材料、或超导材料组成的基极L2，一个由铁磁性材料或半金属磁性材料或半导体材料组成的集电极L3；第一隧道阻挡层I1位于发射极L1和基极L2之间，第二隧道阻挡层I2位于基极L2和集电极L3之间。
下面结合附图对本发明作进一步说明。附图中，FM代表铁磁性材料，NM代表非磁性金属材料，SM代表半导体材料，HM代表半金属磁性材料。
第一实施例：
如图3所示，由二氧化硅(SiO2)或类似材料制成的一个绝缘层2形成在一个硅基片1上；由磁性材料层制成的发射极3形成于绝缘层2上，该发射极3的磁化方向是固定的；第一隧道阻挡层(势垒层)4形成于发射极3之上；并在第一隧道阻挡层4之上形成一个中间金属层或半导体层，即基极5；一个形成于基极5之上的第二隧道阻挡层(势垒层)6；一个由铁磁性材料制成的集电极7形成于第二隧道阻挡层6之上，该集电极7的磁化方向是自由的，可随外部磁场而发生改变；一个保护层8设置在集电极7上。
应当注意到，前述发射极3形成于一层反铁磁性之上，以使该层磁性材料的磁化位置得以固定；磁性材料可由Fe、Co、Ni、稀土金属及Ni-Fe、Co-Fe、Co-Fe-B等磁性合金材料制成，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反铁磁性材料构成，保护层可由Au、Pt或Ta等其它抗氧化金属导电材料制成。而隧道阻挡层(势垒层)则由Al2O3、MgO、ZnO、Ta2O5或AlN等多种金属氧化物或金属氮化物绝缘膜，该隧道阻挡层还可以由其他绝缘材料构成。
在上述实施例中，应当注意到基极5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3隧穿到集电极7时，由于电子在基极5中所受散射较弱而保持了电子的相位记忆。
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。
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、第一隧道阻挡层4和第二隧道阻挡层6就假设为一种热平衡状态。图4是第一实施例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发射极与集电极的磁化方向处于平行、反平行两种状态下的隧穿过程。在平行状态时，发射极中自旋方向与集电极的磁化方向相同的多数隧穿电子能隧穿过势垒和中间金属层，而只有少数自旋方向相反的或被杂质散射引起自旋方向发生变化的电子不能隧穿到集电极，此时，集电极有较大的电流通过；而在反平行状态时，只有少数自旋方向与集电极的磁化方向相同的隧穿电子能隧穿到集电极，而多数自旋方向与集电极的磁化方向相反的隧穿电子不能隧穿到集电极，此时，集电极的有较小的电流通过。同时，由于发射极的磁化方向是固定的，而集电极的磁化方向是可以随磁场发生改变的，因此可以通过改变集电极的磁化方向来改变集电极的电流大小。其形成过程如下，基极电流为调制信号，通过它使集电极的磁化方向改变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。由这种共振自旋晶体管制作的电流放大器的频带宽度取决于集电极的磁化方向反转速度，因而这样的电流放大器可以以千兆赫的频率变化。
第二实施例
在本实施例中，其晶体管的结构示意剖图与第一实施例相似。如图3所示，由二氧化硅(SiO2)或类似材料制成的一个绝缘层2形成在一个硅基片1上；由半金属磁性材料层制成的发射极3形成于绝缘层2上，发射极3的磁化方向是固定的；一个第一隧道阻挡层(势垒层)4形成于发射极3之上；并在第一隧道阻挡层4之上形成一个中间非磁性金属层或半导体材料层，即基极5，基极5的厚度取决于所选材料，应该与该材料的平均自由程长度可比；一个形成于基极5之上的第二隧道阻挡层(势垒层)6；一个由半金属磁性材料制成的集电极7形成于第二隧道阻挡层6之上的，该层的磁化方向是自由的，可随外部磁场发生改变；一个保护层8设置在集电极77上。
上述实施例中，基极5的材料与第一实施例相同，而半金属磁性材料包括Fe3O4、CrO2、La0.7Sr0.3MnO3和Heussler合金等。
这种双势垒隧道结自旋晶体管的运作类似于第一实施例的原理。图5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发射极与集电极的磁化方向处于平行、反平行两种状态下的隧穿过程。该图中，由于半金属磁性材料具有几乎100％的自旋极化率，当发射极与集电极的磁化方向平行时，几乎所有隧穿电子都隧穿到集电极，此时集电极有较大的电流通过。相反，当处于两极的磁化方向处于相反时，仅有很少的隧穿电子通过散射或其他作用隧穿到集电极，此时集电极有较小的电流通过。同第一实施例一样，也可以通过改变基极的电流的方法使集电极的磁化方向发生改变，从而使隧穿电子在发射极和集电极间发生共振隧穿，在合适的条件下使集电极得到放大的电流。与第一实例相比，本实施例的放大效果更强。
第三实施例
在第一实施例和第二实施例中，基极材料都使用了非磁性金属材料或半导体材料，而如果把基极的材料替代为一般磁性材料或半金属磁性材料，由于基极材料的具有自旋相关输运特性，更有利于通过它来调制集电极的磁化方向。有鉴于此，第三实施例提出一种基极材料为磁性材料的自旋晶体管器件。图2中的b为其结构示意图。
本实施例晶体管的结构与第一实施例相似。如图3所示，由二氧化硅(SiO2)或类似材料制成的一个绝缘层2形成在一个硅基片1上；由磁性材料层制成的发射极3形成于绝缘层2上，该磁性材料层的磁化方向是固定的；一个第一隧道阻挡层(势垒层)4形成于发射极3之上；并在第一隧道阻挡层4之上形成的一个由铁磁性材料制成的基极5，其磁化方向也是固定的，且与发射极3的磁化方向平行；一个形成于基极5之上的第二隧道阻挡层(势垒层)6；一个由铁磁性材料制成的集电极7形成于第二隧道阻挡层6之上，集电极7的磁化方向是自由的，可随外部磁场而发生改变；一个保护层8设置在集电极7上。
这种双势垒隧道结自旋晶体管的运作类似于第一实施例的原理。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。该图中，与前面两实例不同的是，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、基极和集电极的磁化方向处于平行状态时，发射极中多数自旋子带的电子将穿过第二铁磁性层和两个势垒层进入第三电极中的多数自旋子带的空带；而发射极中的少数自旋子带由于与基极的磁化方向相反，将受到很强的散射作用而不能隧穿到集电极，尽管如此，此时，集电极的电流仍比较大；而当集电极的磁化方向与基极的磁化方向相反时，虽然发射极中多数自旋子带的电子能隧穿过第一隧道阻挡层，但由于与集电极的磁化方向相反而受到强烈的散射作用而停留在中间金属层发生振荡，仅有很少隧穿电子由于受到杂质散射或其他作用通过第二隧道阻挡层而进入集电极，此时集电极的电流较小。同前述实施例的原理一样，也可以通过改变基极的电流的方法使集电极的磁化方向发生改变，从而使隧穿电子在发射极和集电极间发生共振隧穿，在合适的条件下使集电极得到放大的电流。
第四实施例
在上述实施例中，发射极，基极和集电极的材料都使用铁磁性材料，且发射极和基极的磁化方向是固定的，只有集电极的磁化方向是可随磁场改变的。在本实施例中，提出一种用具有更高自旋极化率的半金属材料替代了第三实施例中发射极、基极及集电极的铁磁性材料的新型晶体管。
这种双势垒隧道结晶体管结构及运作原理类似于第三实施例。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。该图中，由于基极材料也是一般磁性材料或半金属磁性材料，当隧穿电子隧穿到基极时，势必受到基极磁性材料的自旋相关作用。因此，当发射极与集电极的磁化方向平行时，除了极少数隧穿电子由于受到较强散射作用而改变自旋相位外，绝大部分隧穿电子都会隧穿到集电极，此时集电极有较大的电流通过。相反，当处于两极的磁化方向处于相反时，有一少部分隧穿电子通过散射或其他作用而改变自旋方向隧穿到集电极，与实施例二的这种状态相比，此时集电极的电流虽然较小，但仍大于实施例二集电极的隧穿电流。同上述实施例一样，也可以通过改变基极的电流的方法使集电极的磁化方向发生改变，从而使隧穿电子在发射极和集电极问发生共振隧穿，在合适的条件下使集电极得到放大的电流。与上述实施例相比，由于基极本身的输运特性与自旋相关而更有利于改变集电极的磁化方向，从而提高晶体管的放大频带宽度。
虽然已基于上述实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于此。例如，下述修改是可行的。
在上述实施例中，在发射极和基极未设计悬挂电极和保护层，为了解决这个问题，本发明提出一种改进的双势垒隧道结共振效应的自旋晶体管，其结构如图8所示。附图中，与上述实施例中的晶体管的不同的是：在发射极、基极和集电极增加了电极层9，以及在电极层9之上增加了一个保护层8。电极材料可由Cu，Pt，Au组成。而保护层8可由Au、Pt或Ta等其它抗氧化金属导电材料制成。
在第三、四实施例中，可用半导体材料替代发射极的半金属磁性材料或一般磁性材料。只需对结构进行少许改动即可：使基极5的磁化方向是自由的，即可随外部磁场而发生改变。
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 (15)
1、一种基于双势垒隧道结共振隧穿效应的晶体管，具有一个发射极(L1)、一个基极(L2)和一个集电极(L3)，其特征在于，还包括第一隧道阻挡层(I1)和第二隧道阻挡层(I2)；第一隧道阻挡层(I1)位于发射极(L1)和基极(L2)之间，第二隧道阻挡层(I2)位于基极(L2)和集电极(L3)之间。
2、如权利要求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，所述的第一隧道阻挡层(I1)和第二隧道阻挡层(I2)由绝缘材料制成，包括金属氧化物绝缘膜、或金属氮化物绝缘膜、有机或无机材料绝缘膜、或类金刚石薄膜、或EuS、或Ga2O3。
3、如权利要求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，所述金属元素从能够形成绝缘层的Al、Ta、Zr、Zn、Sn、Nb和Mg的金属元素中选取。
4、如权利要求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，两个隧道阻挡层的厚度可以不一样。
5、如权利要求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，所述发射极(L1)由铁磁性材料制成，包括3d过渡族磁性金属或4f稀土金属及其合金。
6、如权利要求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，所述发射极(L1)由半导体材料制成，包括Si、Ga、InGaAs、或InAs。
7、如权利要求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，所述发射极(L1)由半金属磁性材料制成，包括Fe3O4、CrO2、La0.7Sr0.3MnO3或Heuseler合金。
8、如权利要求1至7任一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，所述基极(L2)由铁磁性材料制成，包括3d过渡族磁性金属或4f稀土金属及其合金。
9、如权利要求1至7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，所述基极(L2)由半导体材料制成，包括Si、Ga、InGaAs或InAs。
10、如权利要求1至7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，所述基极(L2)由半金属磁性材料制成，包括Fe3O4、CrO2、La0.7Sr0.3MnO3或Heuseler合金。
11、如权利要求1至7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，所述基极(L2)由非磁性金属材料制成，包括Au、Cu、或Cr及其合金。
12、如权利要求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，所述集电极(L3)由铁磁性材料制成，包括3d过渡族磁性金属或4f稀土金属及其合金。
13、如权利要求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，所述集电极(L3)由半导体材料制成，包括Si、Ga、InGaAs或InAs。
14、如权利要求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，所述集电极(L3)由半金属磁性材料制成，包括Fe3O4、CrO2、La0.7Sr0.3MnO3或Heuseler合金。
15、如权利要求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，还包括一层或两层反铁磁性层，用于固定发射极或基极的磁化方向，该反铁磁性层由Pt-Mn、Pd-Mn、Fe-Mn、Ir-Mn或Rh-Mn反铁磁合金构成。
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