DE102005043329A1

DE102005043329A1 - Spintransistor und Herstellverfahren für einen solchen

Info

Publication number: DE102005043329A1
Application number: DE102005043329A
Authority: DE
Inventors: Ying-Wen Huang; Chi-Kuen Lo; Lan-Chin Hsieh; Yeong-Der Yao; Der-Ray Huang; Jau-Jiu Ju
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2004-09-16
Filing date: 2005-09-12
Publication date: 2006-03-30
Also published as: US20060054930A1; NL1029892C2; JP2006086490A; NL1029892A1; KR20060051405A; FR2876838A1; JP4574367B2; US7235851B2; KR100795246B1

Abstract

Bei einem Spintransistor (100) wird eine Struktur mit einzelner Potenzialbarriere dazu verwendet, eine Stromschwankungsrate zu erhöhen. Der Spintransistor verfügt über einen Emitter (110), einen Kollektor (130), eine Basis (120) und einen Basiswiderstand (121). Beim Emitter handelt es sich um ein Magnetowiderstandsbauteil, dessen Widerstand durch ein Magnetfeld eingestellt werden kann. Der Kollektor ist ein passives Bauteil, das für die einzelne Potenzialbarriere sorgt. Die Basis befindet sich zwischen dem Emitter und dem Kollektor, um diese beiden zu koppeln. Der Basiswiderstand ist mit der Basis verbunden, um für eine Vorspannung zu sorgen.

Description

Priorität: 16. Sept. 2004, USA, 10/942,113
Die Erfindung betrifft einen Transistor, spezieller einen Spintransistor sowie ein Herstellverfahren für einen solchen.
Herkömmliche Spintransistoren sind elektronische Bauteile, die ein Magnetfeld zum Steuern eines elektrischen Stroms verwenden. Der Effekt von Spintransistoren ist demjenigen herkömmlicher Transistoren ähnlich. Ein Elektron kann über zwei Spinzustände verfügen, nämlich spinaufwärts und spinabwärts. Die Spinzustände des Elektrons können bei herkömmlichen Transistoren Steuerparameter bilden.

Herkömmliche Spintransistoren verfügen über einen zusätzlichen Steuerparameter, nämlich ein Magnetfeld. Das bei einem herkömmlichen Spintransistor verwendete Magnetfeld steuert den elektrischen Strom durch Manipulieren der Spinzustände von Elektronen. So zeigen elektronische Bauteile mit herkömmlichen Spintransistoren verbesserte Funktionen im Vergleich zu elektronischen Bauteilen, die nur herkömmliche Transistoren enthalten.

Herkömmliche Spintransistoren können über eine Doppel-Potenzialbarrierestruktur verfügen (d.h., zwei Potenzialbarrieren können in einem herkömmlichen Spintransistor mit einem Magnetowiderstandsbauteil kombiniert sein). Die Doppel-Potenzialbarrierestruktur kann so konfiguriert sein, dass sie es ermöglicht, dass ein magnetoelektrischer Strom durch einen herkömmlichen Spintransistor fließt. Andere herkömmliche Spintransistoren verfügen über ein erstes und ein zweites n-Siliciumsubstrat, die zueinander zugewandt orientiert sind, wobei sie im Vakuum aneinander befestigt werden können, um einen Emitter bzw. einen Kollektor zu bilden. Zwischen dem ersten und dem zweiten n-Siliciumsubstrat kann ein metalli sches Spinventil (d.h. eine Basis) platziert werden.

Ein herkömmlicher Spintransistor verfügt über zwei Schichpaare. Das erste Schichtpaar verfügt über einen Emittier (d.h. das erste n-Siliciumsubstrat und eine Basis (d.h. das metallische Spinventil), wobei dieses Schichtpaar aus Platin (Pt) und Kobalt (Co) besteht. Das zweite Schichtpaar verfügt über eine Basis und einen Kollektor (d.h. das zweite n-Siliciumsubstrat), wobei dieses Schichtpaar aus Kupfer (Cu) und Co besteht. Diese Schichtpaare bilden eine Diodenstruktur mit Schottky-Barriere.

Wenn eine Durchlassspannung an den Emitter (das erste n-Siliciumsubstrat) und die Basis (d.h. das metallische Spinventil) angelegt wird, können heiße Elektronen einen Schwellenwert der Energiebarriere überschreiten und durch diese in den Kollektor fließen. Die Leitung der heißen Elektronen kann davon abhängen, ob die Magnetisierungen der zwei im metallischen Spinventil enthaltenen Co-Schichten (d.h. die zwei Potenzialbarrieren) dieselbe Richtung zeigen.

Wenn das externe Magnetfeld kleiner ist, können die Zustände der zwei Co-Schichten antiparallel sein. In diesem Fall können die Elektronen mit spinaufwärts oder spinabwärts eine inelastische Spinstreuung erfahren und der Stromfluss durch den Kollektor kann relativ klein sein.

Wenn das externe Magnetfeld ausreichend groß ist, um die Magnetisierungen der zwei Co-Schichten parallel auszurichten, nimmt die Wahrscheinlichkeit des Flusses von Elektronen mit spinaufwärts zu, wodurch der elektrische Strom ansteigt. Bei herkömmlichen Spintransistoren kann bei Umgebungstemperatur eine Stromschwankungsrate von mehr als 200% für den magnetoelektrischen Strom erzielt werden. Jedoch ist der elektrische Ausgangsstrom herkömmlicher Spintransistoren klein, was ihre Nutzung auf Anwendungen mit kleinen Strömen einschränkt (z. B. im Bereich von 1,287 pA bis 44 pA). Ferner ist es schwierig, herkömmliche Spintransistoren zu miniaturisieren.

Ein anderer herkömmlicher Spintransistor verfügt über eine magnetische Tunnelschicht, die als Basis angrenzend an einen Kollektor ausgebildet ist, der aus einem n-GaAs-Substrat besteht. Dieser herkömmliche Spintransistor kann über eine Diodenstruktur mit Schottky-Barriere verfügen. Auf der Basis ist eine Aluminiumschicht ausgebildet, die zu einer Aluminiumoxid(Al₂O₃)schicht oxidiert ist. Auf dieser ist eine Emitterschicht ausgebildet, um die genannte Diodenstruktur mit Schottky-Barriere auszubilden. Diese Struktur verringert Probleme bei der Herstellung anderer herkömmlicher Spintransistoren, einschließlich der genannten Miniaturisierung und/oder der genannten erhöhten Schwankungsrate des magnetoelektrischen Stroms. Zum Beispiel kann dabei eine Stromschwankungsrate von mehr als 3,4% bei niedriger Temperatur (z. B. 77 Kelvin) erzielt werden. Jedoch ist das GaAs-Substrat teuer, und/oder die Aluminiumoxidschicht kann nicht gleichmäßig ausgebildet werden. Ferner benötigt dieser herkömmliche Spintransistor über die Eingabe eines kleinen elektrischen Stroms, um einen Schaden des Aluminiumoxids in der entsprechenden Schicht zu verringern oder zu verhindern. Da nur ein kleiner Strom eingegeben werden kann, ist auch der ausgegebene elektrische Strom klein, so dass die Anwendbarkeit auf kleine Ströme eingeschränkt ist. Ferner besteht das zusätzliche Erfordernis eines Betriebs bei niedrigen Temperaturen, um für eine akzeptierbare Schwankungsrate des magnetoelektrischen Stroms zu sorgen.

Noch ein anderer herkömmlicher Spintransistor ist ein magnetischer Tunneltransistor, der bei höherer Temperatur als der Spintransistor mit Doppel-Potenzialbarriere arbeiten kann.

Bei Umgebungstemperatur liefert dieser Spintransistor einen elektrischen Ausgangsstrom bis zu 1 μA, und die Schwankungsrate des magnetoelektrischen Stroms kann bis zu 64% zunehmen. Bei diesem herkömmlichen Spintransistor ist eine 3 nm dicke Schicht aus einer Kobalteisenlegierung (Co₈₄Fe₁₆) als Basis auf einem Emitter ausgebildet, der aus einem n-GaAs-Substrat besteht. Auf dieser Schicht (d.h. der Basis) ist eine Aluminiumschicht ausgebildet, die zu einer Aluminiumoxidschicht oxidiert ist. Als Emitter ist auf dieser eine 5 nm dicke Schicht aus Co₈₄Fe₁₆ ausgebildet. Auf den Emitter kann eine Pinningschicht aufgetragen sein, die aus antiferromagnetischem Ir₂₂Mn₇₈ besteht und die den magnetischen Dipol des Emitters fixieren kann. Die Pinningschicht kann mit einer 5 nm dicken Tantal(Ta)schicht bedeckt sein. Der magnetische Dipol der Basis kann modifiziert werden, ohne dass derjenige des Emitters beeinflusst wird. So kann die Spinrichtung injizierter Elektronen kontrolliert werden.

Jedoch verfügt der oben beschriebene herkömmliche Spintransistor über ein GaAs-Substrat, das teuer ist. Ferner ist es schwierig, die Aluminiumschicht als gleichmäßige Schicht herzustellen. Da ein Magnetowiderstandsbauteil mit hoher Stromschwankungsrate eine Schicht hoher Qualität, d.h. eine gleichmäßige Schicht, benötigt, wird der Herstellprozess komplizierter, da es schwieriger ist, eine gleichmäßigere Aluminiumoxidschicht herzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen einfach herstellbaren Spintransistor sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen.

Diese Aufgabe ist durch den Spintransistor gemäß dem beigefügten Anspruch 1 und das das Herstellverfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 24 gelöst.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsformen näher erläutert werden.

1 ist eine schematische Ansicht eines Spintransistors 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt den Spintransistor 100 gemeinsam mit einer Messvorrichtung 200.
3 ist ein Kurvenbild von Messergebnissen zur Stromschwankungsrate, die durch die Messvorrichtung 200 gemäß der 2 gemessen wurden.
4, 5 und 6 sind weitere Kurvenbilder, die dem in der 3 dargestellten entsprechen.
Der in der 1 dargestellte Spintransistor 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verfügt über einen Emitter 110, eine Basis 120, einen Basiswiderstand 121, einen Kollektor 130 und/oder eine ohmsche Kontaktschicht 131.
Der Emitter 110 kann über ein Magnetowiderstandsbauteil verfügen. Dieses kann aus mindestens einem magnetischen Film bestehen, der für mindestens einen entsprechenden Widerstand sorgt, der von Eigenschaften eines externen Magnetfelds abhängt.
Der Kollektor 130 kann ein passives Element sein, bei dem es sich um eine Diode und/oder einen Widerstand handelt. Diese Diode kann eine der Folgenden sein: eine Diode mit pn-Übergang, eine pin-Diode, eine Diode mit Schottky-Barriere, eine Diode mit planar dotierter Barriere, eine Tunneldiode, eine Resonanz-Tunneldiode, eine Resonanz-Interband-Tunneldiode, eine Einzelbarriere-Tunneldiode, eine Einzelbarriere-Interband-Tunneldiode, eine Transferdiode mit echter Raumladung, eine Heterostrukturdiode mit heißen Elektronen, eine Stoßionisations-Laufzeit-Avalanchediode, eine Barriereinjektions-Laufzeitdiode, eine pin-Fotodiode, eine Fotodiode mit Schottky-Barriere und/oder eine Avalanche-Fotodiode. Wenn es sich um eine pn-Diode handelt, kann diese über pn-Übergänge verfügen, um eine einzelne Potenzialbarriere zu bilden.
Der Kollektor 130 kann mit der ohmschen Kontaktschicht 131 beschichtet sein, die aus Gold bestehen kann.
Die Basis 120 ist zwischen dem Emitter 110 und dem Kollektor 130 vorhanden, um diese miteinander zu koppeln.
Der Basiswiderstand 121 ist mit der Basis 120 verbunden.
Das Magnetowiderstandsbauteil kann ein Tunnel-Magnetowiderstandsbauteil, ein Spinventilelement oder ein Element mit Riesenmagnetowiderstandseffekt sein.
Die in der 2 dargestellte Messvorrichtung 200 dient zum Messen einer Stromschwankungsrate für den Kollektor 130 des Spintransistors 100. Diese Messvorrichtung 200 verfügt über ein Amperemeter 160, das so ausgebildet ist, dass es den elektrischen Ausgangsstrom des Kollektors 130 misst. Ferner verfügt sie über eine oder mehrere Spannungsquellen 140 und 150 zum Anlegen von Spannungen an den Emitter 110 und/oder die Basis 120. Spannungsquellen und Amperemeter sind in der Technik gut bekannt, und sie werden daher nicht näher beschrieben.
Bei einem Versuch wurden Spannungen V_E und V_B von den Spannungsquellen 140 bzw. 150 an den Emitter 110 bzw. die Basis 120 gelegt. Der Emittereingangsstrom entspricht der Emitter-Basis-Spannung V_EB geteilt durch den Widerstand des Magnetowiderstandsbauteils. Dabei kann der Widerstand des Magneto widerstandsbauteils durch Anlegen verschieden starker Magnetfelder variiert werden, um verschiedene Eingangsströme und entsprechende Ausgangsströme zu erzeugen.
Wenn der Spintransistor über eine einzelne Potenzialbarriere verfügt, ist seine Struktur besonders einfach.
Ein Spintransistor mit dem beschriebenen Aufbau wird durch einen Halbleiterprozess hergestellt. Dabei können der Emitter 110, die Basis 120 und der Kollektor 130 auf einem Halbleitersubstrat, einem Glassubstrat oder einem Kunststoffsubstrat hergestellt werden. Im Fall eines Halbleitersubstrats kann dieses aus Silicium und/oder GaAs bestehen. Dadurch kann der Eingangsstrom erhöht werden, wodurch auch der Ausgangsstrom zunimmt und die Stromschwankungsrate für den Kollektor 130 größer ist.
Um die Stromschwankungsrate bei Raumtemperatur zu messen, kann ein Tunnel-Magnetowiderstandsbauteil vorhanden sein, das über eine Laminatstruktur mit einer ersten ferromagnetischen Schicht, einer Isolierschicht und/oder einer zweiten ferromagnetischen Schicht verfügen kann. Dabei kann die Basis 120 durch die erste ferromagnetische Schicht gebildet sein.
Beim Kurvenbild der 3 betragen der Basiswiderstand, die Emitterspannung und die Basisspannung 2000 Ω, 600 mV bzw. 0 V. Aus dem Kurvenbild können Stromschwankungsraten abgelesen werden. Der Emitterstrom I_E nahm bei einem Versuch von 91,5 nA auf 83,6 nA ab, so dass die Stromschwankungsrate für den Emitter 110 9,45% beträgt; der Basisstrom I_B nimmt von 46,6 nA auf 41,3 nA ab, so dass die Stromschwankungsrate für das Basis 120 12,8% beträgt; der Kollektorstrom I_C nimmt von 46,5 nA auf 41,2 nA ab, so dass die Stromschwankungsrate für den Kollektor 130 12,7% beträgt.
Beim Kurvenbild der 4 betragen der Basiswiderstand, die Emitterspannung und die Basisspannung 100000 Ω, 65 mV bzw. 0 V. Der Emitterstrom I_E nahm bei einem Versuch von 97,8 nA auf 90,6 nA ab, so dass die Stromschwankungsrate für den Emitter 110 8% beträgt; der Basisstrom I_B nimmt von 17,86 nA auf 15,72 nA ab, so dass die Stromschwankungsrate für das Basis 120 13,6% beträgt; der Kollektorstrom I_C nimmt von 80,3 nA auf 74,8 nA ab, so dass die Stromschwankungsrate für den Kollektor 130 7,5% beträgt. So kann, im Vergleich zu den aus der 3 erkennbaren Messergebnissen, die ferromagnetische Stromschwankungsrate, wie sie aus der 3 erkennbar ist, durch Ändern des Basiswiderstands, der Emitterspannung und/oder der Basisspannung eingestellt werden.
Für das Kurvenbild der 5 wurde ein Spin-Magnetowiderstandsbauteil verwendet. Die Basis 120 ist zwischen diesem und dem passiven Bauteil platziert. Der Basiswiderstand, die Emitterspannung und die Basisspannung betrugen 100 Ω, 1,26 V bzw. 0 V. Der Emitterstrom I_E nahm bei einem Versuch von 5,15 mA auf 5,03 mA ab, so dass die Stromschwankungsrate für den Emitter 110 2,28% beträgt; der Basisstrom I_B nimmt von 4,68 mA auf 4,61 mA ab, so dass die Stromschwankungsrate für das Basis 120 1,52% beträgt; der Kollektorstrom I_C nimmt von 0,46 mA auf 0,41 mA ab, so dass die Stromschwankungsrate für den Kollektor 130 11% beträgt.
Für das Kurvenbild der 6 wurde die Emitterspannung auf 1 V eingestellt. Der Basiswiderstand und die Basisspannung wurden auf 100 Ω bzw. 0 V gehalten. Der Emitterstrom I_E nahm bei einem Versuch von 3,988 mA auf 3,922 mA ab, so dass die Stromschwankungsrate für den Emitter 110 1,716% beträgt; der Basisstrom I_B nimmt von 3,964 mA auf 3,906 mA ab, so dass die Stromschwankungsrate für das Basis 120 1,502% beträgt; der Kollektorstrom I_C nimmt von 20 μA auf 10,28 μA ab, so dass die Stromschwankungsrate für den Kollektor 130 94,55% beträgt.
Erfindungsgemäße Spintransistoren können bei Raumtemperatur mit hohem Ausgangsstrom und hoher Stromschwankungsrate betrieben werden, wobei eine einzelne Potenzialbarriere verwendet wird. Der Ausgangsstrom, die Stromschwankungsrate und die Stromverstärkung werden durch Ändern der Emitterspannung, der Basisspannung und/oder des Basiswiderstands eingestellt. So kann ein erfindungsgemäßer Spintransistor bei Anwendungen angewandt werden, für die verschiedene Erfordernisse hinsichtlich des Ausgangsstroms, der Stromschwankungsrate und/oder der Stromverstärkung bestehen.

Claims

Spintransistor mit einem Kollektor zum Erzeugen einer Potenzialbarriere, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor die einzige Potenzialbarriere des Spintransistors bildet.
Transistor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: – einen Emitter mit einem ersten Widerstand und – eine Basis zum Koppeln des Emitters und des Kollektors.
Transistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Widerstand vorhanden ist, der durch ein Magnetfeld einstellbar ist.
Transistor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter und die Basis ein erstes Magnetowiderstandsbauteil bilden und sie über einen durch ein Magnetfeld einstellbaren Widerstand verfügen.
Transistor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter ein erstes Magnetowiderstandsbauteil mit einem durch ein Magnetfeld einstellbaren Widerstand bildet.
Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor ein passives Bauteil ist.
Transistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter ein Magnetowiderstandsbauteil ist.
Transistor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter mindestens einen magnetischen Film aufweist.
Transistor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter ein Tunnel-Magnetowiderstandsbauteil, ein Bauteil mit Eigenwiderstand und/oder ein Element mit Riesenmagnetowiderstandseffekt aufweist.
Transistor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor ein zweites Magnetowiderstandsbauteil bildet.
Transistor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor über einen zweiten, durch ein Magnetfeld einstellbaren Widerstand verfügt.
Transistor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein magnetischer Film auf dem Kollektor aufgeschichtet ist.
Transistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Basiswiderstand an der Basis angebracht ist.
Transistor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiswiderstand für eine Vorspannung sorgt.
Transistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein magnetischer Film vorhanden ist, der über eine zum Kollektor benachbarte ferromagnetische Schicht verfügt.
Transistor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis aus einer ferromagnetischen Schicht besteht.
Transistor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Magnetowiderstandsbauteil ein Tunnel-Magnetowiderstandsbauteil, ein Bauteil mit Eigenwiderstand und/oder ein Element mit Riesenmagnetowiderstandseffekt ist.
Transistor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Magnetowiderstandsbauteil ein Tunnel-Magnetowiderstandsbauteil, ein Bauteil mit Eigenwiderstand und/oder ein Element mit Riesenmagnetowiderstandseffekt ist.
Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor eine Diode und/oder einen Widerstand aufweist.
Transistor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode mindestens eine der Folgenden ist: eine Diode mit pn-Übergang, eine pin-Diode, eine Diode mit Schottky-Barriere, eine Diode mit planar dotierter Barriere, eine Tunneldiode, eine Resonanz-Tunneldiode, eine Resonanz-Interband-Tunneldiode, eine Einzelbarriere-Tunneldiode, eine Einzelbarriere-Interband-Tunneldiode, eine Transferdiode mit echter Raumladung, eine Heterostrukturdiode mit heißen Elektronen, eine Stoßionisations-Laufzeit-Avalanchediode, eine Barriereinjektions-Laufzeitdiode, eine pin-Fotodiode, eine Fotodiode mit Schottky-Barriere und/oder eine Avalanche-Fotodiode.
Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Kollektor verbundene ohmsche Kontaktschicht vorhanden ist.
Transistor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die ohmsche Kontaktschicht für eine externe elektrische Verbindung sorgt.
Transistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter, die Basis und/oder der Kollektor auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind.
Verfahren zum Herstellen eines Spintransistors, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kollektor als einzige Potenzialbarriere desselben hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein Emitter und eine Basis als Magnetowiderstandsbauteile hergestellte werden, die über einen durch ein Magnetfeld einstellbaren Widerstand verfügen, wobei die Basis zwischen den Emitter und den Kollektor eingefügt wird, um diese beiden miteinander zu koppeln.