CN1761082A - 一种磁致电阻晶体管 - Google Patents
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Abstract
一种磁致电阻晶体管，是以磁致电阻组件作为发射极，并利用无源组件作为集电极，基极连接在发射极与集电极之间，以电性导通于发射极与集电极。磁致电阻组件中的磁性多层膜经过外加磁场的控制，可产生平行态及反平行态两种磁化方向，进而可在固定电压之下产生不同大小的发射极输入电流，基极输出电流则随着发射极输入电流变化，并且可产生相当大的基极电流变化率。
Description
技术领域
本发明涉及一种晶体管，特别涉及一种应用电子自旋特性的磁致电阻晶体管。
背景技术
自旋晶体管是新一代的电子组件，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。传统组件只利用电子电荷作为控制参数，而电子的自旋特性具有上旋(spin up)与下旋(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有更多的控制参数，同时电路设计更有弹性。
目前所开发的自旋晶体管为双位势垒自旋晶体管结构，它在晶体管中提供两种位势垒，同时结合磁致电阻组件，利用自旋电子在磁致电阻组件中不同磁矩排列状态的情况下通过位势垒与否，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型离子的硅基板以面对面方式真空粘着分别作为发射极与集电极，中间夹一个金属自旋阀(spin valve)作为基极(base)，自旋阀的结构是铂(Pt)/钴(Co)/铜(Cu)/钴(Co)。晶体管的发射极/基极及基极/集电极均为萧基势垒(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。而热电子的传导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；当两层钴层磁化方向相同，此时自旋向上的电子通过机率增加，电流增大。这种组件的优点是可以在室温状态下达到200％以上的磁电流变化率，但输出电流非常小使其用途受到限制，且由于制作困难，组件结构难以微小化。
Mizushima在1995年提出了另一种双位势垒自旋晶体管结构，该结构在作为集电极的n型砷化镓(GaAs)基板上制作一磁致电阻组件作为基极，与由铝氧化而成的氧化铝作为位势垒，并在氧化铝上镀上金属作为发射极。此结构虽可解决制程上的问题，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，需要使用较小的输入电流，这导致输出电流也无法提高；而且这种结构在低温下才能达到良好的磁电流变化率。
为提高双位势垒自旋晶体管结构的操作温度，Parkin于2002年设计出一种新的穿隧式磁致电阻晶体管(magnetic tunnel transistor)，它可以在室温下操作，并达到1微安(μA)的输出，同时磁电流变化率可以大到64％。这种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)来作基极，再在其表面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)来作发射极。这种结构的特点是：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，就可以仅改变基极的磁化方向，而不影响发射极的磁化方向，这样就可控制入射电子的自旋方向。但是这种方法同样有砷化镓基板成本昂贵，氧化铝金属层所产生的氧化铝层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致电阻组件，在制程上具有相当大的难度。
发明内容
本发明提供一种磁致电阻晶体管(magneto resistance transistor)，以磁致电阻组件作为发射极，并利用无源组件作为集电极，基极形成于两者的接口。本发明提供的磁致电阻晶体管解决了目前磁致电阻晶体管存在的结构难以微小化、制程难度大、生产成本较高等一系列难题。
本发明的磁致电阻晶体管含有发射极、集电极与基极，发射极为磁致电阻组件，可在不同外加磁场的情况下提供不同电阻；集电极可为任意无源组件；基极间隔于发射极与集电极之间，分别电导通于发射极与集电极。磁致电阻组件可通过外加磁场的控制而产生高电阻与低电阻，因此可以在固定电压下产生不同大小的发射极电流，因此在不同外加磁场的晴形下，基极输出电流可随着发射极输入电流变化，并且可得到相当大的基极电流变化率。
其中，磁致电阻组件可选择单一磁性膜或磁性多层膜，并可包含铁磁层，使其直接与集电极连接。这样就可以利用磁致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致电阻组件，并与集电极的无源组件电性导通。
本发明提供磁致电阻晶体管，能有效地增加基极电流变化率，并提高输出电流，同时在制程上降低了难度、并实现了成本的降低。
为了进一步了解本发明的目的、构造特征及其功能，下面配合附图进行详细说明。
附图说明
图1是本发明第一实施例的磁致电阻晶体管结构示意图；
图2是本发明第一实施例的基极电流特性曲线图；
图3是本发明第一实施例的集电极电流特性曲线图；
图4是本发明第一实施例的各极电流变化率测量结果图；
图5是本发明第二实施例的磁致电阻晶体管结构示意图；
图6是本发明第二实施例的基极电流特性曲线图；
图7是本发明第二实施例的集电极电流特性曲线图；
图8是本发明第二实施例的各极电流变化率测量结果；
图9是本发明第三实施例的自旋晶体管结构示意图；
图10是本发明第三实施例的集电极电流变化率测量结果。
其中，附图标记：
110 磁致电阻组件 112 绝缘层
113 第二铁磁层 120 第一铁磁层
130 无源组件 131 欧姆接触层
210 磁致电阻组件 220 基极
230 无源组件 231 欧姆接触层
232 绝缘层 300 玻璃基板
310 磁致电阻组件 312 绝缘层
313 第二铁磁层 320 第一铁磁层
330 无源组件
具体实施方式
图1为本发明第一实施例的磁致电阻晶体管结构示意图，它证明了本发明结构确实可以提高基极电流变化率。该结构通过堆叠磁致电阻组件110、无源组件130与欧姆接触层131来形成电流垂直平面形式(current perpendicular to the planes，CPP)的结构。磁致电阻组件110用作发射极与基极，无源组件130是含pn接面的p-n二极管，无源组件130作为集电极形成在硅基板上；同时在无源组件130的下表面镀上钛层与金层来作为欧姆接触层131；磁致电阻组件110作为发射极，可在有外加磁场或无外加磁场的情况下，提供不同的电阻。在第一实施例中，磁致电阻组件110为穿隧式磁致电阻组件，包含有第一铁磁层120、绝缘层112与第二铁磁层113，第一铁磁层120连接于无源组件130同时作为基极；基极间隔于发射极与集电极之间，使发射极透过基极电性连接于集电极。
输入的发射极电流(IE)为发射极与基极间的电压(VEB)除以磁致电阻组件的电阻。因此，不同外加磁场的情况下磁致电阻组件将提供不同电阻，进而产生不同的输入电流，得到相应的基极电流(IB)与集电极电流(IC)。图2为本发明第一实施例的基极电流特性曲线图，其纵轴为基极电流，横轴为基极偏压(VBC)，其特性曲线通过固定发射极电流来测量基极电流对应基极偏压的变化而得到；再以不同的发射极电流(IE＝0.1μA、0.5μA、1μA、2μA)来制作特性曲线，由结果可知基极电流随着发射极电流的增加而增加。图3为本发明第一实施例的集电极电流特性曲线图，纵轴为集电极电流，横轴为基极偏压，以相同条件测量集电极电流对应基极偏压的变化，可以发现改变发射极电流，集电极电流几乎不发生变化。图4为本发明第一实施例的各极电流变化率测量结果，横轴为电流变化，纵轴为磁场，在适当的磁场下，发射极电流由1.08微安培降至0.97微安培，电流变化率可达11.3％；基极电流由0.123微安培降至1.54纳安培，电流变化率可达6400％；集电极电流由0.97降至0.953微安培，电流变化率为1.79％。由结果可知，磁致电阻晶体管的基极输出电流随发射极输入电流变化而变化，并且具有极大的变化率。
再以自旋阀磁致电阻组件作为本发明第二实施例中的磁致电阻组件。图5为本发明第二实施例的磁致电阻晶体管结构示意图。该结构在硅基板上设置作为发射极的磁致电阻组件210与基极220以形成电流垂直平面形式(current in planes，CIP)的结构。在硅基板上形成含pn接面的p-n二极管的无源组件以230作为集电极，并在无源组件的下表面镀上钛层与金属层作为欧姆接触层231；在集电极的上表面先形成绝缘层232，再于绝缘层232上形成磁致电阻组件210，磁致电阻组件210是自旋阀磁致电阻组件，可在有外加磁场或无外加磁场的情况下，提供不同的电阻；基极220间隔在磁致电阻组件210与无源组件230之间，并分别连接磁致电阻组件210与无源组件230。
图6为本发明第二实施例的基极电流特性曲线图。纵轴为基极电流，横轴为基极电压，特性曲线通过固定发射极电流来测量基极电流对应基极电压的变化而得到；再以不同的发射极电流(IE＝0.1mA、0.5mA、1.0mA、1.5mA、2.0mA)来量测特性曲线，由结果可知基极电流随着发射极电流的增加而增加。集电极电流特性曲线如第7图所示，纵轴为集电极电流，横轴为基极电压，以相同条件测量集电极电流对应基极电压的变化，可发现发射极电流的变化对集电极电流几乎不产生影响。图8为本发明第二实施例的各极电流变化率测量结果，横轴为电流变化，纵轴为磁场。在适当的磁场下，发射极电流由1毫安降至0.97毫安，电流变化率可达3.1％；基极电流由30.3微安培降至62纳安培，电流变化率可达48355％；集电极电流由0.97毫安降至0.969毫安，电流变化率为0.11％。由结果可知，磁致电阻晶体管基极输出电流随发射极输入电流变化而变化，并且具有极大的变化率。
由于本发明的结构对于各膜层的品质要求可以不很严格，也可通过整体结构特性来达到所需的效果，因此可以不使用复杂的半导体基板，而仅使用一般基板，如玻璃基板或塑料基板，配合镀膜制程来完成本发明结构。图9为本发明第三实施例的自旋晶体管结构示意图，该结构是以镀膜方式堆叠磁致电阻组件310与无源组件330在玻璃基板300上。磁致电阻组件310用作发射极与基极，形成于玻璃基板的无源组件330是电阻，作为集电极；磁致电阻组件310作为发射极，可在有外加磁场或无外加磁场的情况下，提供不同的电阻，在第三实施例中，磁致电阻组件310为穿隧式磁致电阻组件，包含有第一铁磁层320、绝缘层312与第二铁磁层313，第一铁磁层320连接于无源组件330同时作为基极；基极间隔于发射极与集电极之间，使发射极透过基极电性连接于集电极。
以与第一实施例相同的集电极电流变化率测量电路来测量第三实施例的基极电流变化率，以928毫伏特(mV)的发射极电压和464.65毫伏特(mV)的基极电压作为实验的测量参数；图10为本发明第三实施例的集电极电流变化率测量结果，横轴为磁场，纵轴为电流变化，在适当的磁场下，其基极电流变化率可达9837％；由结果可知，利用镀膜方式制作于一般基板的磁致电阻晶体管的基极输出电流随发射极输入电流变化而变化，并且具有极大的变化率。这种结果显示本发明可打破制程的限制，对于制造成本的降低有极大帮助。
本发明的磁致电阻组件可以是穿隧式磁致电阻组件、自旋阀磁致电阻组件、巨磁致电阻组件与冲击式磁致电阻组件，无源组件除了p-n二极管、萧基二极管，也可以选择电阻或其它二极管，如p-i-n二极管、平面掺杂势垒二极管(planar-doped-barrierdiode)、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)、单势垒隧道二极管(single-barriertunnel diode)、单势垒能带间穿遂二极管(single-barrier interband-tunneling diode)、实空间传导二极管(real-space-transfer diode)、异质结构热电子二极管(heterostructurehot-electron diode)、撞击游离崩渡时二极管(impact-ionization-avalanche transit-timediode)、势越二极管(barrier-injection transit-time diode)、p-i-n光电二极管(p-i-nphotodiode)、萧基光电二极管(Schottky-barrier photodiode)及雪崩光电二极管(avalanchephotodiode)等任意无源组件。甚至集电极也可作为第二磁致电阻组件，如磁性膜，其电阻值随外加磁场改变而改变。
磁致电阻晶体管的各组件的制作都可以整合到半导体制程，将发射极、基极与集电极整合制作在半导体基板或其它种类的基板上，如塑料基板或玻璃基板。而半导体基板可为硅基板或砷化镓基板。这种结构也可增加输入电流，使输出电流相应提升，并使基极电流变化率大幅提升。
当然，本发明还可有其他多种实施例，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 (36)
1.一种磁致电阻晶体管，包括发射极、集电极和基极，其特征在于：所述发射极是磁致电阻组件，集电极是一无源组件，基极隔在所述发射极和所述集电极之间，使所述发射极透过所述基极电性导通于所述集电极，所述磁致电阻组件包含电阻值随外加磁场而改变的电阻。
2.如权利要求1所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述磁致电阻组件包含磁性多层膜。
3.如权利要求1所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述磁致电阻组件包含单层磁性膜。
4.如权利要求1所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述磁致电阻组件是穿隧式磁致电阻组件、自旋阀磁致电阻组件、巨磁致电阻组件或者冲击式磁致电阻组件。
5.如权利要求1所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述无源组件是p-n二极管、萧基二极管或电阻。
6.如权利要求1所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：还包括一欧姆接触层。
7.如权利要求第6项所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述欧姆接触层连接于所述集电极以提供对外的电性导通。
8.如权利要求1所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述发射极、所述基极与所述集电极设置在一基板上。
9.如权利要求8所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述发射极、所述基极与所述集电极设置在所述基板的同一平面。
10.如权利要求8所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述发射极、所述基极与所述集电极层叠设置在所述基板上。
11.如权利要求8所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述基板是半导体基板。
12.如权利要求11所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述基板是硅基板。
13.如权利要求11所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述基板是砷化镓基板。
14.如权利要求8所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述基板是玻璃基板。
15.如权利要求8所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述集电极是第二磁致电阻组件。
16.如权利要求8所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述集电极具有一电阻值随外加磁场改变而改变的电阻。
17.如权利要求8所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述集电极镀有一层以上的磁性膜。
18.如权利要求8所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述基板为塑料基板。
19.一种磁致电阻晶体管，其特征在于：包括作为集电极的无源组件和作为基极和发射极的磁致电阻组件，所述磁致电阻组件包括电阻值随外加磁场改变而改变的可调电阻，所述磁致电阻组件邻接于所述无源组件处作为基极，所述基极间隔在所述发射极和所述集电极之间，使所述发射极透过所述基极电性导通于所述集电极。
20.如权利要求19所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述磁致电阻组件至少包含一磁性膜。
21.如权利要求20所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述磁性膜包含一邻接于所述集电极的铁磁层，所述铁磁层用来作所述基极。
22.如权利要求19所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述磁致电阻组件是穿隧式磁致电阻组件、自旋阀磁致电阻组件、巨磁致电阻组件或者冲击式磁致电阻组件。
23.如权利要求19所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述无源组件是二极管或电阻。
24.如权利要求23所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述二极管是p-n二极管、p-i-n二极管、萧基二极管、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、单势垒隧道二极管、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、撞击游离崩渡时二极管、势越二极管、p-i-n光电二极管、萧基光电二极管或雪崩光电二极管。
25.如权利要求19所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：还包括一欧姆接触层。
26.如权利要求25所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述欧姆接触层连接于所述集电极，提供对外的电性导通。
27.如权利要求19所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述发射极、所述基极与所述集电极设置在一基板上。
28.如权利要求27所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述发射极、所述基极与所述集电极设置在所述基板的同一平面。
29.如权利要求27所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述发射极、所述基极与所述集电极层叠设置在所述基板上。
30.如权利要求27所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述基板是半导体基板。
31.如权利要求30所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述基板是硅基板。
32.如权利要求30所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述基板是砷化镓基板。
33.如权利要求27所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述基板是玻璃基板。
34.如权利要求27所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：所述基板是塑料基板。
35.一种磁致电阻晶体管，其特征在于：包括用作发射极的磁致电阻组件，所述磁致电阻组件包括电阻值随外加磁场改变而改变的电阻。
36.如权利要求35所述的磁致电阻晶体管，其特征在于：还包括作为集电极的无源组件和基极，所述基极间隔在所述发射极和所述集电极之间，使所述发射极透过所述基极电性导通于所述集电极。
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