DE10031401A1 - Dreitorbauelement, insbesondere Spininjektionstransistor - Google Patents
Dreitorbauelement, insbesondere SpininjektionstransistorInfo
- Publication number
- DE10031401A1 DE10031401A1 DE10031401A DE10031401A DE10031401A1 DE 10031401 A1 DE10031401 A1 DE 10031401A1 DE 10031401 A DE10031401 A DE 10031401A DE 10031401 A DE10031401 A DE 10031401A DE 10031401 A1 DE10031401 A1 DE 10031401A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- collector
- tunnel
- emitter
- base
- insulation layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
- H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
- H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
- H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/10—Magnetoresistive devices
Abstract
Die Erfindung beschreibt ein Dreitorbauelement mit einem Emitter (1), einem Kollektor (2) und einer Basis (3), worin der Kollektor (2) und die Basis (3) ferromagnetische Schichten sind, zwischen welchen eine Tunnel-Isolationsschicht (4) angeordnet ist, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß der Emitter (1) von einer ferromagnetischen oder nichtmagnetischen Schicht gebildet wird, die von dem Kollektor (2) durch eine dazwischenliegende Tunnel-Isolationsschicht (5) getrennt ist.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dreitorbauelement,
insbesondere einen Spininjektionstransistor, mit einem
Emitter, einem Kollektor und einer Basis.
Dreitorbauelemente und hier insbesondere Transistoren
werden in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt. Vor al
len Dingen im Computerbereich ist der Bedarf nach schnel
len Schaltern aufgrund der erheblichen Verringerungen in
der Baugröße und der ständig wachsenden Geschwindigkeiten
erheblich. Aus diesem Grund gibt es eine Reihe von Ent
wicklungsansätzen für schnell arbeitende Transistoren. In
dem Artikel "Tunneling Hot Electron Transfer Amplifiers
(THETA)" von M. Heiblum, Solid State Electronics, 24, 343
(1981) sind beispielsweise eine Reihe von Metalltransi
sotren mit nichtmagnetischen Schichten beschrieben.
Weiterhin werden derzeit mit großem Aufwand ferroelektri
sche und magnetoresistive Speichertechnologien entwic
kelt, deren Perspektive darin besteht, den versorgungs
spannungsabhängigen DRAM (Dynamic Random Access Memory)
durch einen versorgungsspannungsunabhängigen, nicht
flüchtigen Speicherbaustein, bezeichnet als "FRAM"
(Ferroelectric Random Access Memory) bzw. "MRAM"
(Magnetic Random Access Memory), zu ersetzen.
Für MRAMs kommen verschiedene magnetoresistive Effekte in
Betracht. AMR-(Anisotrope Magneto Resistance) Speicher
beruhen darauf, daß der Widerstand für elektrische Ströme
parallel und senkrecht zur Magnetisierungsrichtung eines
Leitermaterials verschieden ist. Das GMR-(Giant Magneto
Resistance)Speicherkonzept beruht auf dem Riesen-Magneto-
Widerstandseffekt, welcher in Schichtstapeln, bestehend
aus alternierend angeordneten nanometerdünnen magneti
schen Schichten (z. B. aus Kobalt) und nichtmagnetischen
Schichten (z. B. aus Kupfer), auftritt. Ein dritter Kandi
dat für MRAMs sind magnetische Tunnelkontakte. Sie beste
hen aus zwei ferromagnetischen Schichten, die von einer
dünnen Tunnelisolationsschicht getrennt sind.
Die Wirkungsweise von magnetischen Tunnelkontakten beruht
auf einer spinabhängigen Änderung des Tunnelwiderstands
(TMR: Tunnel Magneto Resistance) für normal leitende
Elektronen, dem eine Spinpolarisation der beteiligten ma
gnetischen Schichten zugrunde liegt. Bis vor kurzem hatte
dieser Effekt nur Grundlagencharakter, da die beim
spinabhängigen Tunnel gemessenen relativen Änderungen des
Magneto-Widerstandes ΔR/R unter 1% lagen. Die Situation
änderte sich 1995, nachdem T. Miyazaki et al in "Giant
magnetic Tunneling effect in Fe/Al2O3/Fe junction", J.
Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995) von magnetischen Tunnelkontakten
mit Werten um ΔR/R ≧ 18% bei Raumtemperatur
berichteten.
M. Johnson hat in "The all-metal spin transistor", IEEE
Spectrum May 1994, 47 bereits eine mögliche Realisierung
eines Spintransistors auf der Basis des GMR-Effektes be
schrieben. In diesem Fall sind jedoch die absoluten Wi
derstände (einige µOhm) sehr klein und für Anwendungen
kaum anwendbar.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Dreitorbauelement
und insbesondere ein Spintransistor zu schaffen, mit dem
hohe Widerstände und schnelle Schaltzeiten realisierbar
sind.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
Kollektor und die Basis ferromagnetische Schichten sind,
zwischen welchen eine Tunnel-Isolationsschicht angeordnet
ist, und daß der Emitter von einer ferromagnetischen oder
nichtmagnetischen Schicht gebildet wird, die von dem Kol
lektor durch eine dazwischenliegende Tunnel-Isolations
schicht getrennt ist.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Drei
torbauelement auf der Basis eines magnetischen Tunnelkon
takts herzustellen, dessen beiden ferromagnetischen
Schichten den Kollektor und die Basis bilden, zwischen
welchen eine Tunnel-Isolationsschicht angeordnet ist, und
diesen Tunnelkontakt um einen weiteren Tunnelkontakt, der
den Emitter bildet, zu erweitern. Der Aufbau eines Dreitorbauelements
aus magnetischen Tunnelkontakten bietet
den Vorteil, daß sie im Vergleich zu AMR- oder GMR-
Elementen hochohmig sind und daher eine bessere Kompati
bilität mit bestehenden integrierten Halbschalterleitun
gen etc. aufweisen. Das Dreitorbauelement kann dabei über
die angelegten Ströme, deren Richtungen, das Volumen der
Basiselektrode, die Größe der Tunnelkontaktflächen, die
Widerstände der Tunnelkontakte und die Richtungen der Ma
gnetisierungen optimiert werden. Eventuell ist es auch
möglich, eine nichtmagnetische Schicht als Emitter einzu
setzen. Auch die Injektion aus einer nichtpolarisierten
Schicht sollte zu Änderungen der Zustandsdichte in der
Basis führen und den gewünschten Effekt einer Span
nungsänderung im Tunnelkontakt zwischen Basis und Kollek
tor herbeiführen. Beispiele dafür, auf welche Weise die
Tunnelkontakte im einzelnen ausgebildet sein können, sind
in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmel
dung 199 38 215.8 offenbart, auf die in diesem Zusammen
hang vollinhaltlich Bezug genommen wird.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der
Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie die nachfol
gende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Be
zugnahme auf die beiliegende Zeichnung verwiesen. In der
Zeichnung zeigt:
Fig. 1 schematisch und in perspektivischer Dar
stellung ein Dreitorbauelement gemäß der
vorliegenden Erfindung und
Fig. 2 in schematischer Darstellung ein Schaltbild
eines als Spininjektionstransistor (SIT)
arbeitenden Dreitorbauelements gemäß Fig.
1.
In Fig. 1 ist ein magnetisches Dreitorbauelement gemäß
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dieses Dreitor
bauelement, das einen Spininjektionstransistor bildet,
besteht aus mehreren übereinanderliegend angeordneten
Schichten mit drei ferromagnetischen Schichten 1, 2, 3,
zwischen denen zwei Tunnel-Isolationsschichten 4, 5 ange
ordnet sind. Konkret bildet die untere ferromagnetische
Schicht 3 die Basis, die mittlere ferromagnetische
Schicht 2 den Kollektor und die über dem Kollektor 3 lie
gende ferromagnetische Schicht den Emitter 1 des Transi
stors, wobei der Kollektor 2, der Emitter 1 und die Basis
3 durch die Tunnel-Isolationsschichten 4, 5, die bei
spielsweise aus Al2O3 bestehen können, voneinander ge
trennt sind. Dabei bildet die Basis 3, der Kollektor 2
und die dazwischenliegende Tunnel-Isolationsschicht 5 ei
nen ersten Tunnelkontakt und der Emitter 1, der Kollektor
2 und die dazwischenliegende Tunnel-Isolationsschicht 4
einen zweiten Tunnelkontakt.
Nicht dargestellt ist, daß an dem Emitter 1, dem Kollek
tor 2 und der Basis 3 Metallisierungen aufgebracht sind,
über welche das Dreitorbauelement elektrisch kontaktiert
wird. Die elektrische Kontaktierung wird in der in Fig.
2 dargestellten Weise über eine äußere Beschaltung realisiert,
mittels welcher eine Spannung V über eine Batterie
8 oder dergleichen an die Metallisierungen an dem durch
die Basis 3, den Kollektor 2 und die dazwischenliegende
Tunnel-Isolationsschicht 5 gebildeten ersten Tunnelkon
takt angelegt werden kann. Des weiteren liegen zwischen
dem Emitter 1 und dem Kollektor 3 einerseits und der Ba
sis 3 und dem Kollektor 2 andererseits Stromquellen 6, 7
an.
Wie in Fig. 2 durch die Pfeile A und B angedeutet ist,
ist für den ersten Tunnelkontakt, der von der Basis 3,
dem Kollektor 2 und der dazwischenliegenden Tunnel-
Isolationsschicht 5 gebildet wird, die Magnetisierung an
tiparallel gerichtet. Damit befindet sich der erste Tun
nelkontakt im hochohmigen Zustand. Der Stromfluß der
spinpolarisierten Ladungsträger ist von der Basis 3 zum
Kollektor 2 gerichtet, wie durch den Pfeil D angedeutet
ist. Wenn ein Strom durch den in Fig. 2 rechten zweiten
Tunnelkontakt, der von dem Emitter 1, dem Kollektor 2 und
der dazwischenliegenden Tunnel-Isolationsschicht 4 gebil
det wird, ebenfalls in den Kollektor 2 injiziert wird
(Pfeil E), so kommt es zu einer drastischen Änderung der
Besetzungsdichte an der Fermi-Kante des Kollektors 2, und
zwar für beide Spinrichtungen. Die Besetzung von Zustän
den an der Fermi-Kante durch den Strom vom Emitter 1 in
den Kollektor führt zu einer Reduzierung des TMR-Effekts
in dem zweiten Tunnelkontakt 1, 2, 4 und somit zu einer
Änderung der Spannung am ersten Tunnelkontakt 3, 2, 3, 5.
Der Emitter-Kollektor-Strom steuert also die Spannung
über dem zweiten Tunnelkontakt 2, 3, 4.
Der so gebildete Spininjektionstransistor kann über die
angelegten Ströme, deren Richtung, das Volumen der Kol
lektorelektrode 2, die Größe der Tunnelkontaktflächen,
die Widerstände der beiden Tunnelkontakte 1, 2, 5; 2, 3,
4 und die Richtungen der Magnetisierungen optimiert wer
den. Eventuell ist es möglich, auch eine nichtmagnetische
Schicht als Emitter 1 einzusetzen. Auch die Injektion aus
einer nichtpolarisierten Schicht sollte zu Änderungen der
Zustandsdichte in dem Kollektor 3 führen und den ge
wünschten Effekt einer Spannungsänderung im ersten Tun
nelkontakt 1, 2, 5 herbeiführen.
Claims (2)
1. Dreitorbauelement mit einem Emitter (1), einem Kol
lektor (2) und einer Basis (3), dadurch gekenn
zeichnet, daß der Kollektor (2) und die Basis (3)
ferromagnetische Schichten sind, zwischen welchen ei
ne Tunnel-Isolationsschicht (4) angeordnet ist, und
daß der Emitter (1) von einer ferromagnetischen oder
nichtmagnetischen Schicht gebildet wird, die von dem
Kollektor (2) durch eine dazwischenliegende Tunnel-
Isolationsschicht (5) getrennt ist.
2. Dreitorbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Tunnelisolationsschichten (4 5)
oxidierte Metallschichten sind.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10031401A DE10031401C2 (de) | 2000-07-03 | 2000-07-03 | Dreitorbauelement, insbesondere Spininjektionstransistor |
PCT/EP2001/007143 WO2002003481A1 (de) | 2000-07-03 | 2001-06-23 | Dreitorbauelement |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10031401A DE10031401C2 (de) | 2000-07-03 | 2000-07-03 | Dreitorbauelement, insbesondere Spininjektionstransistor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10031401A1 true DE10031401A1 (de) | 2002-02-07 |
DE10031401C2 DE10031401C2 (de) | 2002-05-29 |
Family
ID=7647045
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE10031401A Expired - Fee Related DE10031401C2 (de) | 2000-07-03 | 2000-07-03 | Dreitorbauelement, insbesondere Spininjektionstransistor |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10031401C2 (de) |
WO (1) | WO2002003481A1 (de) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1996007208A1 (en) * | 1994-08-31 | 1996-03-07 | Douwe Johannes Monsma | Current conducting structure with at least one potential barrier and method of manufcturing such |
DE19701509A1 (de) * | 1996-01-19 | 1997-07-24 | Fujitsu Ltd | Magnetsensor |
US5757056A (en) * | 1996-11-12 | 1998-05-26 | University Of Delaware | Multiple magnetic tunnel structures |
WO2000059051A1 (fr) * | 1999-03-31 | 2000-10-05 | Universite Louis Pasteur (Etablissement Public A Caractere Scientifique, Culturel Et Professionnel) | Dispositif microelectronique a jonctions tunnel et reseau de memoires et capteur comprenant de tels dispositifs |
DE19938215A1 (de) * | 1999-08-12 | 2001-02-22 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Verfahren zur Herstellung eines magnetischen Tunnelkontakts sowie magnetischer Tunnelkontakt |
-
2000
- 2000-07-03 DE DE10031401A patent/DE10031401C2/de not_active Expired - Fee Related
-
2001
- 2001-06-23 WO PCT/EP2001/007143 patent/WO2002003481A1/de active Application Filing
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1996007208A1 (en) * | 1994-08-31 | 1996-03-07 | Douwe Johannes Monsma | Current conducting structure with at least one potential barrier and method of manufcturing such |
DE19701509A1 (de) * | 1996-01-19 | 1997-07-24 | Fujitsu Ltd | Magnetsensor |
US5757056A (en) * | 1996-11-12 | 1998-05-26 | University Of Delaware | Multiple magnetic tunnel structures |
WO2000059051A1 (fr) * | 1999-03-31 | 2000-10-05 | Universite Louis Pasteur (Etablissement Public A Caractere Scientifique, Culturel Et Professionnel) | Dispositif microelectronique a jonctions tunnel et reseau de memoires et capteur comprenant de tels dispositifs |
DE19938215A1 (de) * | 1999-08-12 | 2001-02-22 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Verfahren zur Herstellung eines magnetischen Tunnelkontakts sowie magnetischer Tunnelkontakt |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
M.Heiblum: Tunneling Hot Electron Transfer Ampli- fier (THETA) ... in Solid-State Electronics, 24(1981), pp.343-366 * |
M.Johnson: The all-metal spin transistor in IEEE Spectrum, May 1994, pp.47-51 * |
T.Miyazaki, N.Tezuka: Giant magnetic tunneling effect in Fe/Al2O3/Fe junction in J.Magn.Magn.Ma- ter., 139(1995), L231-L234 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE10031401C2 (de) | 2002-05-29 |
WO2002003481A1 (de) | 2002-01-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE60037790T2 (de) | Magnetisches messsystem mit irreversibler charakteristik, sowie methode zur erzeugung, reparatur und verwendung eines solchen systems | |
EP1019913B1 (de) | Speicherzellenanordnung | |
DE19836567C2 (de) | Speicherzellenanordnung mit Speicherelementen mit magnetoresistivem Effekt und Verfahren zu deren Herstellung | |
DE112011103750B4 (de) | Nichtflüchtiger Magnettunnelübergang-Transistor | |
DE60022616T2 (de) | Magnetischer Speicher | |
DE10355273B4 (de) | Magnetische Speichervorichtungen mit wahlfreiem Zugang (MRAM) mit nicht parallelen Haupt- und Bezugs-Magnetwiderständen | |
EP1412948B1 (de) | Magnetische speichereinheit und magnetisches speicherarray | |
DE102016006651A1 (de) | Schaltvorrichtung mit spannungsgesteuerter magnetanisotropie, die einen externen ferromagnetischen vormagnetisierungsfilm verwendet | |
EP1163676B1 (de) | Speicherzellenanordnung und verfahren zu deren herstellung | |
DE10291108B4 (de) | Magnetoresistives Halbleiterbauelement mit einem semimagnetischen Kontakt, sowie Speicherelement und magnetischer Sensor | |
DE19649265C2 (de) | GMR-Sensor mit einer Wheatstonebrücke | |
EP1105890B1 (de) | Magnetoresistives element und dessen verwendung als speicherelement in einer speicherzellenanordnung | |
DE112012004304T5 (de) | Magnetoresistiver Direktzugriffsspeicher mit Mehrbit-Spinmomenttransfer mit einem einzelnen Stapel von Magnettunnelübergängen | |
DE69723963T2 (de) | Seitliche magento-elektronische vorrichtung unter ausnutzung eines quasi zwei-dimensionalen elektrogases | |
DE19942447C2 (de) | Speicherzellenanordnung und Verfahren zu deren Betrieb | |
DE10031401C2 (de) | Dreitorbauelement, insbesondere Spininjektionstransistor | |
DE10144395C1 (de) | Baustein der programmierbaren magnetischen Logik | |
DE19840823C1 (de) | Magnetoresistives Element und dessen Verwendung als Speicherelement in einer Speicherzellenanordnung | |
DE10036356C2 (de) | Magnetisches Dünnschichtbauelement | |
DE10144384C1 (de) | Logikbaustein | |
WO2000031809A1 (de) | Magnetoresistives element und dessen verwendung als speicherelement in einer speicherzellenanordnung | |
DE10209508B4 (de) | Verfahren zur Speicherung von Daten in einem MRAM-Datenspeicher | |
DE10128264A1 (de) | Digitale magnetische Speicherzelleneinrichtung | |
WO2003089945A1 (de) | Schaltungsteil mit mindestens zwei magnetoresistiven schichtelementen mit invertierten ausgangssignalen |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |