CN1761069A - 自旋晶体管 - Google Patents
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Abstract
一种自旋晶体管，是利用单一势垒结构，来提高通过势垒的磁电阻电流的变化率，其含有发射极、集电极、基极与基极电阻。发射极为磁电阻组件，在不同外加磁场的情况下可提供不同电阻，集电极为被动组件，用以提供单一势垒，基极是间隔于发射极与集电极之间，分别电性导通于发射极与集电极，基极电阻则连接于基极以提供偏压。
Description
技术领域
本发明是关于一种晶体管，特别是关于一种应用电子自旋特性的自旋晶体管(spin transistor，or magneto transistor)。
背景技术
自旋晶体管为新一代的电子组件，利用电子的自旋特性与外加磁场作用来控制电流流量，进而产生类似传统晶体管的效应。电子的自旋特性具有上旋与下旋(spin up and spin down)两种自旋状态，因此利用电子自旋特性的组件将比传统组件只利用电子电荷有更多的控制参数及使得电路设计更有弹性。
目前所开发的自旋晶体管为双势垒(barrier)自旋晶体管结构，在晶体管中提供两种势垒并结合磁电阻组件，利用自旋电子在磁电阻组件中不同磁矩排列状态的情况下通过势垒与否，来产生磁电流变化。如1995年Monsma所提出的自旋晶体管架构与制程，是将两片掺杂n型离子之硅基板以面对面方式真空黏着分别作为发射极与集电极，中间夹一个金属自旋阀(spin valve)做为基极(base)，自旋阀的材料为铂(Pt)/钴(Co)/铜(Cu)/钴(Co)。晶体管的发射极/基极及基极/集电极均为肖特基势垒(Schottky barrier)接面结构。在发射极/基极施加顺向偏压，则电子从硅基板跨过势垒注入基极成为热电子。而热电子的传送将受到自旋阀中的两钴层磁化方向是否相同的影响，当两钴层磁化方向相反，不论是自旋向上或自旋向下的电子均受到阻碍，通过的电流较小。当两层钴层的磁化方向平行，此时自旋向上的电子通过的机率增加，电流增大。此组件的优点为可以在室温达到200％以上的磁电流变化率，但是输出电流非常小，使其用途受到限制，且由于制作较困难，组件结构难以微小化。
另一种双势垒的自旋晶体管结构是由Mizushima在1995年提出，是在作为集电极的n型砷化镓(GaAs)基板上制作一磁电阻组件作为基极，由铝氧化而成的氧化铝作为一势垒，并在氧化铝上镀上金属作为发射极。此结构虽可解决制作过程中的问题，使组件较易小型化，且在低温下磁电流变化率可达3400％。但是砷化镓基板的成本昂贵，氧化铝金属层所产生的氧化铝层的均一性不容易控制，同时，为防止破坏氧化铝层，需使用较小的输入电流导致输出电流也无法提高，且此结构在低温下才能达到良好的磁电流变化率。
为提高双势垒自旋晶体管结构的操作温度，于2002年Parkin设计出一种新的磁隧道晶体管(magnetic tunnel transistor)，可以在室温下操作，并达到1微安培(μA)的输出及磁电流变化率可以大到64％。此结构是在作为集电极的n型砷化镓基板上成长一层3纳米(nm)的铁钴合金层(Co84Fe16)作为基极，再在其表面成长一层铝金属层并氧化成为氧化铝层，在氧化铝层上形成5纳米(nm)的铁钴合金层(Co84Fe16)作为发射极。其特点是在发射极上蒸镀反铁磁的铱锰合金层(Ir22Mn78)作为钉扎层，可以将发射极的磁化方向钉住(pinned)，上面再覆盖一层5纳米的钽(Ta)金属层。再控制适当的外加磁场，即可以仅改变基极的磁化方向，但不影响发射极的磁化方向，如此，即可控制入射电子的自旋方向。但是此方法同样有砷化镓基板的成本昂贵，氧化铝金属层所产生的氧化铝层的均一性不容易控制的问题，而且要达到较佳的磁电流变化率，需要品质良好的镀层来组成高电流变化率的磁电阻组件，在制造上具有相当大的难度。
发明内容
本发明提供一种自旋晶体管，以磁电阻组件作为发射极，并利用提供单一势垒的被动组件作为集电极，基极形成于两者之间，再结合基极电阻使集电极工作点产生飘移。由单一势垒结构能有效地增加通过势垒的磁电阻电流的变化率，并提高输出电流。
本发明的自旋晶体管含有发射极、集电极、基极与基极电阻，发射极为磁电阻组件，分别在不同外加磁场的情况下提供不同电阻；集电极为被动组件，提供单一势垒；基极间隔于发射极与集电极之间，分别电性导通于发射极与集电极；基极电阻连接于基极以提供偏压。磁电阻组件可经由外加磁场的控制，而产生高电阻与低电阻，故可于固定电压之下产生不同大小的发射极电流，使得在不同外加磁场的情形下，通过被动组件的势垒的集电极电流也随之产生变化。而连接在基极的基极电阻可根据不同外加磁场而产生不同的偏压(bias)，使集电极工作点产生飘移，此一作用可更增加集电极电流的变化率。
其中，磁电阻组件可包含铁磁层，并直接与集电极连接。如此，即利用磁电阻组件所包含的铁磁层作为基极，使发射极与基极组成磁电阻组件，并与集电极之被动组件电性导通。
为使对本发明的目的、构造特征及其功能有进一步的了解，配合附图详细说明如下：
附图说明
图1为本发明实施例之自旋晶体管结构示意图；
图2为自旋晶体管的集电极电流变化率测量电路示意图；
图3为穿隧式磁电阻组件的自旋晶体管的电流变化率测量结果图；
图4为穿隧式磁电阻组件的自旋晶体管的电流变化率测量结果图；
图5为自旋阀磁电阻组件的自旋晶体管的电流变化率测量结果图；及
图6为自旋阀磁电阻组件的自旋晶体管的电流变化率测量结果图。
其中，附图标记：
110 发射极
120 基极
121 基极电阻
130 集电极
131 欧姆接触层
140 发射极电压
150 基极电压
160 安培计
具体实施方案
参考图1，其为本发明第一实施例的自旋晶体管结构示意图，包含发射极110、基极120、基极电阻121、集电极130与欧姆接触层131，发射极110为由磁性多层膜所形成的磁电阻组件，以分别在有外加磁场或无外加磁场的情况下，提供不同的电阻；集电极130为含p-n接面之p-n基板，用以提供单一势垒，并在集电极上镀金以作为欧姆接触层131；基极120间隔在发射极110与集电极130之间，以分别连接于发射极110与集电极130；基极电阻121则连接于基极120。其中，磁电阻组件可为穿隧式磁电阻组件、自旋阀磁电阻组件、巨磁电阻组件和冲击式磁电阻组件等任何因为磁场改变而改变其电阻值的磁电阻组件，被动组件除了p-n二极管也可选择肖特基二极管或其它二极管，如p-i-n二极管、平面掺杂势垒二极管(planar-doped-barrier diode)、隧道二极管(tunnel diode)、共振穿遂二极管(resonant-tunneling diode)、共振能带间穿遂二极管(resonant-interband-tunneling diode)、单势垒穿遂二极管(single-barrier tunnel diode)、单势垒能带间穿遂二极管(single-barrierinterband-tunneling diode)、实空间传导二极管(real-space-transferdiode)、异质结构热电子二极管(heterostructure hot-electron diode)、撞击电离雪崩渡时二极管(impact-ionization-avalanche transit-timediode)、能障注入渡时二极管(barrier-injection transit-time diode)、p-i-n光二极管(p-i-n photodiode)、肖特基光二极管(Schottky-barrierphotodiode)及雪崩光二极管(avalanche photodiode)等任意被动组件。
自旋晶体管的集电极电流变化率需经测量得知，参考图2，其为自旋晶体管的集电极电流变化率测量电路示意图，分别于发射极110端与基极120端提供发射极电压源与基极电压源，以提供发射极电压(VE)140与基极电压(VB)150，并以安培计160测量输出的集电极130电流。输入的发射极110电流为发射极110至基极120间的电压(VEB)除以磁电阻组件的电阻。因此，根据在不同外加磁场的情况下，磁电阻组件将提供不同电阻，进而产生不同的输入电流，得到相应的输出电流。
由于本发明的自旋晶体管为单一势垒(single potential barrier)结构，不但简化整体的自旋晶体管结构，使各组件的制作都可整合至半导体的制作过程，可将发射极、基极与集电极整合制作于一基板上，此基板可为半导体基板，如硅基板或砷化镓基板，也可使用塑料或玻璃基板。此结构也可大幅增加输入电流，使输出电流相应提升，进而增进集电极电流变化率。
为实际验证本发明的自旋晶体管的室温电流变化率，以穿隧式磁电阻组件作为本发明实施例中的磁电阻组件进行室温电流变化率的测量，穿隧式磁电阻组件是由第一铁磁层、绝缘层、第二铁磁层层迭形成，第一铁磁层接合于被动组件，同时作为自旋晶体管的基极。以2000欧姆(Ω)的基极电阻，600毫伏特(mV)的发射极电压以及0伏特的基极电压作为实验的测量参数；其电流变化率的结果如图3所示，其发射极电流由91.5降至83.6纳安培，电流变化率可达9.45％；集电极电流由46.6降至41.3纳安培，电流变化率可达12.8％。将基极电阻提高至100000欧姆(Ω)，发射极电压为65毫伏特(mV)以及0伏特的基极电压进行测量；其电流变化率的结果如图4所示，其发射极电流由97.8降至90.6纳安培，电流变化率可达13.6％；集电极电流由80.3降至74.8纳安培，电流变化率可达7.5。由此可知，通过改变基极电阻、发射极电压与基极电压，可改变自旋晶体管的磁电流变化率。
再以自旋阀磁电阻组件作为本发明实施例中的磁电阻组件进行室温电流变化率的测量，自旋阀磁电阻组件是间隔基极与被动组件接合。以100欧姆(Ω)的基极电阻，1.26伏特的发射极电压以及0伏特的基极电压作为实验的测量参数；其电流变化率的结果如图5所示，其发射极电流由5.15毫安降至5.03毫安，电流变化率可达2.28％；基极电流由4.68毫安降至4.61毫安，电流变化率可达1.52％；集电极电流由0.46降至0.41毫安，电流变化率可达11％。将发射极电压调整为1伏特，维持100欧姆(Ω)的基极电阻以及0伏特的基极电压；其电流变化率的结果如图6所示，其发射极电流由3.988毫安降至3.922毫安，电流变化率可达1.716％；基极电流由3.964毫安降至3.906毫安，电流变化率可达1.502％；集电极电流由20微安培降至10.28微安培(μA)，电流变化率可达94.55％。
综上所述，本发明的自旋晶体管具有较大的输出电流与电流改变率，可在室温下得到此结果。并可通过调整发射极电压、基极电压与基极电阻来改变输出电流、电流变化率与电流增益，使得自旋晶体管应用范围更加广泛。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (22)
1、一种自旋晶体管，其特征在于，其包含有：
一发射极，为一磁电阻组件，在不同外加磁场的情况下提供不同电阻；
一集电极，为一被动组件，用以提供一势垒；
一基极，间隔于该发射极与该集电极之间，该发射极与该集电极透过该基极形成电性导通；及
一基极电阻，连接于该基极以提供一偏压。
2、根据权利要求1所述的自旋晶体管，其特征在于，该磁电阻组件是由磁性多层膜所形成。
3、根据权利要求1所述的自旋晶体管，其特征在于，该磁电阻组件是选自穿隧式磁电阻组件、自旋阀磁电阻组件、巨磁电阻组件与冲击式磁电阻组件所组成的族群其中之一。
4、根据权利要求1所述的自旋晶体管，其特征在于，该被动组件是选自一二极管及一电阻其中之一。
5、根据权利要求4所述的自旋晶体管，其特征在于，该二极管选自p-n二极管、p-i-n二极管、肖特基二极管、平面掺杂位障二极管、隧道二极管、共振穿遂二极管、共振能带间穿遂二极管、单势垒穿遂二极管、单势垒能带间穿遂二极管、实空间传导二极管、异质结构热电子二极管、撞击电离雪崩渡时二极管、能障注入渡时二极管、p-i-n光二极管、肖特基光二极管及雪崩光二极管。
6、根据权利要求1所述的自旋晶体管，其特征在于，其包含一欧姆接触层。
7、根据权利要求6所述的自旋晶体管，其特征在于，该欧姆接触层连接于该集电极，以提供对外的电性导通。
8、根据权利要求1所述的自旋晶体管，其特征在于，该发射极、基极与集电极设置于一基板。
9、根据权利要求8所述的自旋晶体管，其特征在于，该基板选自硅基板与砷化镓基板所组成的族群其中之一。
10、根据权利要求8所述的自旋晶体管，其特征在于，该基板为塑料基板。
11、根据权利要求8所述的自旋晶体管，其特征在于，该基板为玻璃基板。
12、一种自旋晶体管，其特征在于，其包含有：
一集电极，为一被动组件，用以提供一势垒；
一发射极与一基极，形成一磁电阻组件，以分别于不同外加磁场的情况下提供不同电阻，该基极间隔于该发射极与该集电极之间，该发射极与该集电极透过该基极形成电性导通；及
一基极电阻，连接于该基极以提供一偏压。
13、根据权利要求12所述的自旋晶体管，其特征在于，该磁电阻组件由一磁性多层膜所形成。
14、根据权利要求13所述的自旋晶体管，其特征在于，该磁性多层膜包含一铁磁层，邻接于该集电极，该铁磁层用来作为该基极。
15、根据权利要求12所述的自旋晶体管，其特征在于，该磁电阻组件选自穿隧式磁电阻组件、自旋阀磁电阻组件、巨磁电阻组件与冲击式磁电阻组件所组成的族群其中之一。
16、根据权利要求12所述的自旋晶体管，其特征在于，该被动组件选自一二极管及一电阻其中之一。
17、根据权利要求16所述的自旋晶体管，其特征在于，该二极管选自p-n二极管、p-i-n二极管、肖特基二极管、平面掺杂势垒二极管、隧道二极管、共振穿遂二极管、共振能带间穿遂二极管、单势垒穿遂二极管、单势垒能带间穿遂二极管、实空间传导二极管、异质结构热电子二极管、撞击电离雪崩渡时二极管、能障注入渡时二极管、p-i-n光二极管、肖特基光二极管及雪崩光二极管。
18、根据权利要求12所述的自旋晶体管，其特征在于，其包含一欧姆接触层，连接于该集电极以提供对外的电性导通。
19、根据权利要求12所述的自旋晶体管，其特征在于，该发射极、基极与集电极设置于一基板。
20、根据权利要求19所述的自旋晶体管，其特征在于，该基板选自硅基板与砷化镓基板所组成的族群其中之一。
21、根据权利要求19所述的自旋晶体管，其特征在于，该基板为塑料基板。
22、根据权利要求19所述的自旋晶体管，其特征在于，该基板为玻璃基板。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20081015 Termination date: 20161011 |