TW571450B - Magnetoresistive semiconductor element, storage element, field-effect transistor, bipolar transistor, magnetic sensor, and method for measuring the strength of magnetic field - Google Patents

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Description

571450 A7 B7 五、發明説明（i ) 本發明係關於一種磁阻性半導體元件，同時也關於一種 儲存元件，一種場效電晶體，以及特別是在讀取頭中做為 一磁感應器，用來讀取儲存在磁性儲存介質内的資料，其 中每一種情形都包括該磁組性半導體元件。 磁電子學和電荷載體的自旋偏極傳送，在過去的十年内 快速地發展。首先是所謂每大磁阻（GMR)與坑道磁阻（TMR) 的發現，帶動了此一發展。這兩種效應第一次成功地將一 磁場或是一項磁化的資料，直接地轉換成一電阻的變化。 兩種效應都是以自旋電子於兩個鐵磁性接觸之間傳送為基 礎，而此兩個接觸的相對磁化性是該整體元件的電阻之關 鍵。此情況下，GMR是適用於純金屬的結構，TMR則是在 兩鐵磁金屬層之間一氧化坑道阻障物的結構内。目前TMR 結構是用於電子之可讀取的磁性記憶體MRAMS，而GMR 主要的商業用途在於磁場感應技術和硬式磁碟讀取頭。 GMR的情形是在一純金屬元件的兩個鐵磁性接觸，其間 安排一層非磁性金屬導體，並且測量平行與反平行磁化之 間的電阻改變。當施加一外在場效時，使得該磁化的平行 方位相鄰於鐵電性層，因此該元件的電阻減小。至於金屬 的導電性，一元件的阻抗要符合半導體電路是困難的，那 麼將GMR結構整合於此電路中就更加困難。 1999 年，R. Fiederling，M. Keim，G.Reuscher，W· Ossau，G. Schmidt，A. Waag 和 L. W. Molenkamp (Nature自然期刊402期78 7至790頁（1999年））已經證實， 將自旋偏極的電子射入一非磁性半導體内，並測量由一發 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐） 571450 A7 _____B7 五、發明説明（2 ) '-— 光二極體所產生光之圓形偏極性。該電子自旋的声極性是 藉著將該電子經由一BeowMnowZnuSe半導體%接觸射入 一 GaAs半導體完成。圓形的偏極光是利用從該GaAs半導 體層相反側面射入的未偏極電洞之重新組合而產生。 本發明的目的在於提供一磁阻性半導體元件，能夠感測 到非常弱的磁場，而在一/卜在磁場的作用下呈現一電阻的 明顯改變（即增加ΔΙΙ/Κ)，並具有一高敏感性s(s = ΔΙι/ιι/ △ Η)。 此目的是以一磁阻性的半導體元件之方式達成，該磁阻 性的半導體元件包括一第一接觸和一第二接觸，以及一層 的非磁性半導體，該層是安排在第一接觸和第二接觸之 間，其中該第一接觸是由一半磁性材料組成。 根據本發明的半導體元件中，從該第一接觸至該第二接 觸的電荷傳送是僅由電子或只以電洞影響。因此，該電荷 載體經由該第一半磁性接觸進入該非磁性半導體，再於該 第二接觸引出離開該非磁性半導體。所以，根據本發明之 半導體元件是不同於上列事實敘述的LED，而後者的情形 是從一第一接觸射入該非磁性半導體的自旋偏極電子，藉 由光的發射在非磁性半導體内與從該第二接觸射入該非磁 性半導體的電洞重合。因此，二極體内的電荷傳送是受電 子和電洞兩者影響。相較於上述的二極體，根據本發明之 半導體元件在該半導體内的電荷傳送只發生於電子，或是 僅於電洞。這兩種半導體元件是以不同的電荷傳送為基 礎，此外該半導體元件最好具有一近似的線性I/v特性曲 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公爱) 571450 A7 B7 五、發明説明G ) 一 ' 線。 通過根據本發明之元件的電流是以測量電阻為目的。該 元件可與其他半導體元件組合，此情形中該電流只要沒有 離開半導體都是只由一種電荷載體攜帶，這些電荷載體最 好是電子。此情況通過整合於半導體中的其他電流，而且 不是為了測量電阻，也能鉤以相對於其他種類的電荷載體 攜帶，並在其電流路徑中包括p_n交接面。此情形下，成為 半導體一部分的是從一第一金屬或近似金屬接觸且用於測 量電阻之一電流的部分路徑，其金屬為該電流進入該半導 體處，至於到達另外一個金屬或近似金屬接觸為該電流離 開該半導體處。近似金屬的接觸是指具有相容於金屬接觸 之導電性質的接觸，例如：這類接觸包括矽化物，或有一 適當的高度摻雜之多晶矽。所述的具體實施例中，該磁阻 性半導體元件即整合於以該半導體形成的部分。 一 p-n二極體有一強烈的非線性電流-電壓特性，所以電 壓的一個小變化能夠大幅地改變電阻的區別△ v/ △ I。於此 原因’一p-η二極體最好避免用於測量一電阻的電流。
Fiederhng等人敘述的二極體中，一磁阻性效應在根據本 發明之半導體元件不如預期所觀察到一磁阻效應，因為這 類LED的電阻非常高，尤其不會隨著一外在磁場的作用而 改變電阻。 相較於GMR效應，該半導體元件的電阻在一外加磁場的 作用下增加，因此測量到一正值的磁阻，其累積量可至 100%給定導電電子的完全偏極化。此情況要測量的是磁化
I 本紙張尺度適用巾國國家標準(CNS) A4規格(加χ 297公董) ---- 571450 A7 _______ _ B7 五、發明説明（4 ) |± 0 ,即/又有外在磁場的作用下，與有外在磁場作用下，半 磁性材料所引發該接觸的自旋於相同感應磁化之間電阻的 改變。 如同半導體元件，將根據本發明之半導體元件整合於微 電子積體電路的安排是沒有困難的。進一步地，根據本發 明之半導體元件也可以瓦有困難的結合於其他電子元件， 因此就可以產生新種類的儲存元件，如MRAMS或是磁場感 應器。而且，沒有外在磁場的作用下導電電子是未偏極 的，也就不會發生外在磁場内導電電子的角度依照偏極 化，而啟始的狀態總是清楚地規劃。此外不需要如GMR結 構耦合第一和第二接觸的磁化性，於此原因根據本發明之 半導體元件可藉由適當地調整第二接觸而有相當廣泛的應 用。 對於磁阻性半導體元件重要的是，一外在磁場作用下 電阻的改變與該元件總電阻的比值Διι/Κ。根據本發明之半 導體元件也確實如此，該元件的總電阻一定不能比電阻的 改變大很多。 所了解的一半磁性材料是一種具有強烈順磁性的材料， 其中自旋是與鐵磁性材料耦合。也就是說，沒有外在場效 作用下導電電子通常已經有一偏極性，而一半磁性的磁性 材料沒有外在磁場的作用下，則是具有非偏極性的導電電 子，·因此電子的自旋並沒有特定的方位。當施加一外在磁 場時，該材料的導電電子是自旋偏極的。此自旋偏極化可 以由例如：一很大程度的Z e eman分裂之電子階層所引起 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 571450 A7 B7 五、發明説明（5 ) 的。此高程度的分裂結果，使得射入的電子（或電荷載體）佔 據具有能量偏好且較低的Zeeman階層。這些自旋偏極的電 子能夠連續地被射入該非磁性半導體内。 具有一大的g因子材料可以當做半磁性材料，該g因子描 述的是一個電子的有效Land6因子，一大的g因子致使一高 程度的Zeeman分裂狀態。<為了要能夠觀察一電元件之電阻 的明顯改變，此g因子應該最好是大於50，尤其最好是大於 200。以實例呈現，薄的磁性II/VI半導體是合適的，而 ZnMnSe為主的半導體更是特別適合。未摻雜或n_摻雜 ZnMiiSe-(II/VI -半導體）中猛的自旋’正常為反鐵磁性地輛 合。Μη的濃度非常低而且在低溫的時候，sp-d交換的相互 作用會得到一非常大的g因子可達到10 0，也可以對導電電 子得到一非常大程度的Zeeman分裂狀態。磁性的Μη離子 能夠等同電子性地結合於半導體内，使得導電性以及電荷 載體（電子或電洞）型態可以其他摻雜的結合來控制。實例呈 現，以碘或氣摻雜是適合一η型態摻雜。 此外也可以使用III/V半導體，如非鐵磁性相位中的 GaMn As或In Sb。此情況中半導體的掺雜可適當地由Be， Si，C，Zn，Te，或S產生效果。還有也可以使用窄能帶的半 導體，如HgCdTe。此處以碘或氣摻雜也能產生效果，如有 需要的話。特定的摻雜只當做是實例。本技藝中的技術人 員從半導體技術得知可利用多樣的摻雜質，分別完成一η型 態或是Ρ型態摻雜。 原則上所有的非磁性半導體，如IV族、III/V，II/VI半導 -8 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐） 571450 A7
體，可以用來當做該非磁性半導體層。矽和Si/SiGe二度空 間電子氣體特別適合，因為這些材料具有一低程度的自旋 散射，而且根據本發明之半導體元件的小型化也只發生次 要的困難。藉由實例，Si，P，As，Sb，B可以用來當做摻^ 質，這些摻雜質也只是實例罷了。根本上是可以使用所有 熟知的材料當做半導體的摻雜質。
裝
外在磁場作用下，可以觀察到該半導體元件的電阻變 化，特別是第一接觸和非磁性半導體有一相容的導電性。 該半磁性材料和該非磁性半導體的電阻性p最好是在1〇_3至 100 Ωοιη(歐姆-公分）的範圍内，最好是在〇 〇1至1〇 Qcm，尤其理想是〇.1至1 Qcm。半磁性接觸的電阻性與 非磁性半導體的電阻性之比值p semimagn / p 較好是 在1000至0.01的範圍内，最好是100至01。該半磁性接觸 最好有一導電性，是相同或小於該非磁性半導體。第一接 觸和非磁性半導體的導電性可經由適當的摻雜而彼此整 合。該第一接觸半磁性材料之電阻和該非磁性半導體之電 阻的比值基本上是重要的，於該半磁性第一接觸無法達到 理想的自旋偏極（〜i 〇〇%)時給定的理想自旋偏極，只有自 旋偏極的電荷載體會被射入該非磁性半導體内，那麼該非 磁性半導體的導電性就是第二重要的了。 觀察到的電阻變化能夠利用兩個自旋執道模型清楚地呈 現。非磁性半導體電荷載體内，電荷的傳送可以有兩種執 道適用’該電荷載體具有相對於外在磁場的自旋平行方位 是被傳送至一執道，而該電荷載體也具有相對於外在磁場 本紙張尺度_中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公复) 571450 A7 B7 五、發明説明（ 7 的自旋反平行是被傳送至另一執道。這些電荷載體是以相 等的比例在兩個執道内傳送。所以一外在磁場並不影響該 非磁性半數的電阻。如果射入該非磁性内之後經由一半磁 性接觸而受到影響，沒有外在磁場的作用下，即非磁性半 導體的電荷傳送在兩個自旋執道上似乎是受到相等部分的 影響。如果該半導體元件置入一外在磁場内，該Zeeman項 就隨著該磁場強度的方式分裂，然後該導電電子傾向於佔 據具有能量且偏好的階層，其為相對於外在磁場的自旋平 行方位。如果能量分裂的程度夠大，導電電子的方位就都 是彼此平行，而且是平行外在磁場。電子自旋的方位是保 留在從該半磁性接觸進入該非磁性半導體的轉換動作中。 這導致該非磁性半導體内導電性的一自旋執道壓制，其中 自叙射入該非磁性半導體内的電流，並不是兩種自旋方 位，（平行和反平行或是向上自旋和向下自旋），以相等的部 分承載，所以一種自旋方位的電子就必須承載整個電流。 即使其數目沒有少許地增加，但電阻卻升高就得到一正值 的磁阻。非磁性半導體中電阻1〇〇%的升高，能夠達到導電 電子完全自旋偏極所給定的理想狀態。 所觀察到的電阻變化是與G M R和T M R結構中完全不同的 電阻變化之發生原因，其中電阻的改變在GMR效應和TMR 效應之情況下，是由第二鐵磁性接觸的自旋偏極所決定， 而根據本發明之元件的情況中，電阻的改變是因為非磁性 半導體内一自旋軌道之佔據降低所引起。然而不需多說， 以上解釋的電荷傳送僅表示說明觀察電阻改變的一種模型
裝 訂
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呈現，其他的模型也可以用於此說明目的。所以這個模型 不應該被當做是本發明的限制。綜觀來說，觀察到的電阻 ’支化疋基於夏子效應’只能以清楚的模型做非常有限範圍 的敘述。 原則上，根據本發明之半導體元件也可以用於傳送電 洞。然而此情形，自旋由於強大的交互作用的結構即快速 地去偏極性，使得所觀察的效應並不如以電子傳送電荷的 情況那麼明顯' 裝 訂
線 如果根據本發明之半導體元件的電阻變化，至少是該元 件總電阻大小的程度，那麼磁阻性半導體元件就能夠在特 定的應用中取代GMR或TMR結構。其中每一個GMR和 TMR的情況都需要兩個鐵磁性接觸，根據本發明之磁組性 半導體僅需要-個由半磁性材料製成的接冑，在沒有外在 磁場的作用下，其自旋是不偏極的。第二接觸的材料起初 沒受到任何限制。所需要的是電荷載體能夠流動，並且再 次經由該第二接觸離開非磁性半導體。 自旋偏極的程度不只是由外在磁場的大小決定，也會隨 著電荷流動方向中半磁性材料製成的接觸所增加的範圍而 增加。電子的自旋偏極，也就是說，從此進入較低Zaman 階層的轉變是受到自旋散射影響。為了達到一有效率的自 旋偏極，半磁性材料層的厚度應該是自旋散射長度的倍 數。該自旋散射長度是因所用的材料而改變，含Mn的半導 體有一高程度的自旋散射，其產生一數個毫微米的自旋彈 動長度。如InSb半導體的情況，其具有一較低程度的自旋 -11 -
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散射’該自旋彈動長度相當大，為此原因就需要相當程度 的較大厚度。此區域内半磁性接觸層的厚度是3毫微米之情 況下，通常大概可能觀察不到自旋偏極，所以外在磁場内 根據本發明之半導體元件的電阻實際上沒有改變。隨著所 使用的材料不同，該第一接觸的適當厚度比較好是在從1〇 至1000毫微米的範圍内，最好是50至3〇〇毫微米。 根據本發明之磁阻性半導體元件的架構，可以在廣泛的 限制内變化，其為多重的應用做好準備之方式。 根據一較佳具體實施例，一坑道阻障物是安排在由半磁 性材料製成的第一接觸與非磁性半導體層之間。該坑道阻 障物層的厚度通常是在從3至7毫微米範圍内，該坑道阻障 物可以包含半導體，如AlAs或GaAs，也可以是氧化物的， 如氧化鋁、氧化鎂、氧化鈦、氧化矽。由實例所得，氮化 矽所形成的層次也可適用。此情況中是可以使用市售材 料，於共振坑道二極體内為半導體坑道阻障物當做所熟悉 的例子。自旋射入非磁性半導體的效率，可藉由坑道阻障 物而增加。當半磁性接觸中給定相同自旋偏極時，使用一 坑道阻障物就能夠增加該非磁性半導體中的自旋偏極。 正如以上進一步所解釋，對於一外在磁場作用下電阻的 改菱由一半磁性材料組成第一接觸就足夠了。這種情況 而要的是，只有電荷載體經由第二接觸從非磁性半導體引 出離開疋又到衫響。所以，第二接觸原本就不是任何特別 限制的對象。然而，從適當選擇第二接觸的材料，就可以 發展特疋的應用元件，或可以於一外在磁場中修正已觀察
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到的電阻變化。 根據一具體實施例，第二接觸是由一非磁性材料組成。 所有非磁性半導體以及金屬都可以使用，適合的金屬有… Cr，Ti，Pt，Ni，Aix/Ge合金。該接觸最好是以具有線性關 係I/V特性曲線的材料製成，其產生一低的接觸電阻。外在 磁场内電阻的改變就只由身入該半導體内之電荷載體，尤 其是電子的偏極所產生。 然而，該第二接觸最好大多是由一半磁性材料組成。此 情形該第二接觸可以從與第一接觸相同的材料中架構，但 也可以使用不同半磁性的材料。根據本發明之半導體元件 内電荷傳送’是由於該半導體元件的小尺寸而發生在擴散 區域，所以自旋偏極並不是隨電流方向改變。雖然電子是 平均地在一特定方向上移動，一統計的移動量則疊加在此 移動上，因此在製造過程中，電子是朝著所有可能的方向 移動並散射。所以如果一半磁性接觸大多當做第二接觸， 這就相當於從一半磁性材料製成的一第一接觸，一非磁性 半導體，以及一非磁性材料製成的一第二接觸中，架構兩 個分支的元件，那就是說，對應上述的具體實施例。此情 況總電阻R疋由2xR(半磁性接觸）+ 2xR(非磁性半導 體）+ 2xR(非磁性接觸）所組成。其中該第二接觸當做是半磁 性接觸主體的情況，總電阻R減低至2XR(半磁性接 觸）+ 2xR(非磁性半導體），即可達到的電阻改變ΔΙι於外在 磁％内保持不變。結果AR/R增加’就是該半導體元件的敏 感性增加。 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 11 五、發明説明（ 根據一較佳具體實施例，一坑道阻障物大多可以安排在 該非磁性半導體與該第二半磁性接觸之間。此情況該坑道 阻p羊物可以從上述相同的材料中產生。 根據該磁阻性半導體元件之一特定具體實施例，該第二 接觸是由一鐵磁性材料組成，此情況大多得到具有一正磁 阻的半導體元件。然而V在達到該鐵磁的強制場強度之 前’該特性曲線是非對稱的。該鐵磁性接觸大多是將自旋 偏極的電子射入。然而直到超過該強制場，該電子總是只 有一個偏好方向，其與外在磁場是的方位是沒有關係的。 如果第一和第二接觸有一小於該自旋彈動長度的空隙，那 麼鐵磁性接觸就會影響從半磁性接觸射入的自旋，所以可 能產生一偏極感應的磁場感測器，例如：藉由相互連接兩 個半導體元件，其鐵磁性接觸的偏極相對於彼此旋轉i 8 0 度。許多可以想見的應用中，要測量的不只是一磁場的大 小還有方向，一個像這類半導體元件可能的應用是一感應 器’例如：用來測量一汽車控制器鎖的角度。 也有的情況是，一具體實施例的第二接觸是以一鐵磁性 材料製成，每一種情況的坑道阻障物可以安排在第一接觸 與非磁性半導體之間，以及安排在非磁性半導體與鐵磁性 第二接觸之間。 根據本發明之磁阻性半導體元件可以做為多重性應用。 由實例呈現，可以應用於資料儲存或是邏輯電路。根據本 發明之半導體元件能夠等同於感應器使用。 所以，本發明也相關於一儲存元件，其包括上述的磁阻 • 14 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 571450 A7 B7 五、發明説明（ 性半導體元件’以及所安排與此元件相鄰的一鐵磁性元 件。此情況選擇如此安排，使得該半磁性接觸位於該鐵磁 性元件的外漏場内。該鐵磁性元件的磁化旋轉9 〇度後，該 鐵磁性半導體元件的電阻就降低，因為該半磁性接觸不再 位於該鐵磁性元件的外漏場内。這兩種高和低電阻狀態， 例如：可以狀態0和1來表斥。相對於已知的MRAMs，該磁 化只必須旋轉’而能夠比該磁化折到反面1 8 〇度更容易達 到。該電學部分僅從半導體材料中架構，所以能夠以一簡 單的方式整合於微電子電路内。以一陣列的安排方式，該 元件可以從其他元件去除耦合，像是由Schottky二極體。 根據本發明之磁阻性半導體元件也能夠架構為一場效電 晶體，該場效電晶體包括一源極、一汲極、和一閘極，其 中至少提供由一半磁性材料製成的第一接觸，藉其自旋偏 極的電荷載體射入該源極和/或該沒極，或從此引出離開。 因此，在相同的結構尺寸能夠使用一個增加複雜度的元 件。以實例呈現，上述的記憶體元件能夠直接整合於一場 效電晶體内。此情況從源極至汲極的電荷傳送只受到一種 電荷載體影響。由該閘極產生的場效影響下，半導體内源 極與汲極之間升起一導電執道，其執道中的電荷傳送是受 到電子的影響。 又 根據本發明之半導體元件也能夠整合於一雙極電晶體 内。該雙極電晶體包括一個作用相當於射極的區域，二個 作用相當於集極的區域，和一個作用相當於基極的區域， 後者疋安排在兩前者之間，其中至少提供一第一接觸，夢 -15-
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由自旋偏極的電荷載體被射入該射極和/或從集極引出離 開。 該雙極電晶體最好是架構為一npn電晶體。該電荷載體， 理想地為電子的自旋偏極在第一接觸内受到影響，而該第 一接觸最好是從一半磁性材料架構。從該射極到該集極的 電流僅由一種電荷載體，•最好是電子傳送，該電流是用來 觀察磁阻性的效應。 此外，該磁阻性半導體元件能夠當做磁場的一感應器。 此情況中較好是如一讀取頭的一具體實施例，該讀取頭將 儲存在磁性儲存介質的資料讀出來，這樣的一個磁性儲存 介質可以是一硬碟。此情況如此的一感應器包括上述的磁 阻性半導體元件，一電力供給和並向外至第一接觸以及從 苐一接觸，而且也有測量裝置以測量電阻的改變，其連接 至供給和向外連接。 外在磁場的作用下，根據本發明之該半導體元件呈現其 電阻的一改變，所以能夠如上述當做一感應器以感測磁 場。而且本發明也關於一種測量一磁場強度的方法，其中 該磁場強度是作用在一感應器，該感應器内電荷載體於第 一接觸内為自旋偏極，而該自旋偏極的電荷是被射入一非 磁性半導體，並且該電荷載體從該非磁性半導體引出離開 後進入一第二接觸，即測量到電阻相對於一啟始狀態的改 變。_ 該啟始狀態是該感應器在沒有一磁場作用下，以一適合 的方式形成。 -16-
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為了能夠測量電阻的一變化，該半導體内的電荷傳送是 容許只被一種電荷載體所影響，也就是說只受到電子或只 有電洞的影響。如果一電荷載體的改變發生在該非磁性半 導體内電荷傳送時，就會引發一個大的電壓降低，因此電 阻會大幅地升高，為此原因無法再觀察到該電阻的改變。 如此電荷載體的改變發生在，例如：一二極體的p_n接面， 所以具有一二極體的安排就不能用於根據本發明的方法。 由於短暫的自旋生命期，以電洞傳送一電荷的情況下執 行上述的方法，從技術的觀點來理解是相當地困難。電子 的自疑狀態的生命期長很多，為此原因本方法最好是以電 子為電何載體來進行。 此外，也可以有一應用是將自旋投射在半導體的量化方 向上，以決定一自旋方位（即為一量子點）。該量子點在本情 況是代表第二接觸，後者是位於從第一接觸的一段比自旋 彈動長度較小之距離處，其自旋方位是以一外在磁場來規 範’例如：以一磁鐵決定該量子點自旋所投射之非磁性半 導體的自旋方位。此應用與量子計算相關特別有意思。 將以下列所附的參考圖式更詳細地解釋本發明，其圖式 有： 圖1顯示根據本發明之半導體元件的一線性安排； 圖2顯示接觸之間有一水平電流方向的安排； 圖3·顯示繪製根據本發明之一半導體元件的電阻改變為該 磁場強度的函數之一圖形； 圖4顯示對於一咼度11摻雜zn〇 89Be〇 〇5Mn0()6Se個別層， -17- 本紙張尺度適用中國國家標準((：；]^8) A4規格(21〇x 297公釐) 571450 A7 B7 五、發明説明（15 ) 呈現該電阻的改變是該磁場強度的一函數之一圖形； 圖5顯示接觸之間有一水平電流方向的安排； 圖6顯不接觸之間有一混合電流方向的安排， 圖7顯示接觸之間有一混合電流方向的安排； 圖8顯示一記憶體元件的一側面視野（a)和一平面視野 (b)； ( 圖9顯示具有一場效電晶體的一部分，其中包括根據本發 明之一半導體元件； 圖10顯示具有一雙極電晶體的一部分，其中包括根據本 發明之一半導體元件； 圖11顯示具有一讀寫頭的一縱向部分，其中包括根據本 發明之一半導體元件； 圖12顯示根據本發明之一半導體元件，從連接的半導體 元件以一 Schottky二極體去耦合； 圖13顯示根據本發明之一半導體元件從連接的半導體元 件以一pn二極體去耦合 圖14顯示一陣列式的安排，其中根據本發明之磁阻半導 體元件以二極體去耦合； 圖15顯示一陣列式的安排，其中根據本發明之磁阻半導 體元件以電晶體去编合。 圖1顯示根據本發明半導體元件的一線性安排，其中該個 別層次是以一三明治似的方式安排一層接著另一層。經由 一第一接觸1，電子射入一非磁性半導體2，從後者穿過並 從第二接觸3引出離開。一電位4是出現在第一接觸1與第二 -18- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 571450
接觸3之間。該非磁性半導體2内，以兩種不同的自旋方向 傳运的電子’名之為自旋向上（5平行）和自旋向下（6反平 灯），就是說該電荷是在兩個自旋執道内傳送。沒有一外在 磁場，該電子是以相同的等分在兩個自旋軌道5和6傳送。 如果一外在磁場7作用在該半導體元件上，於該第一接觸1 内影響到電子的Zeeman洗分裂，而且該電子傾向於佔據了 能量較偏好的狀態（5，平行），同時佔據該能量較不偏好的 狀態（6，反平行）減少。所以穿越進入該非磁性半導體2的 電子是自旋偏極的，後者擴散穿過該非磁性半導體2，並於 過程中該自旋彈動長度内保持其偏極性。所以只有一種自 旋軌道是用來傳送電荷，為此原因就增加了該元件的電 阻。 為了要此夠觀察該半導體元件在磁場内的電阻改變，並 不需要將第一接觸1、非磁性半導體2、以及第二接觸3，以 線性安排地一個接著另一個像三明治的樣子。根據本發明 之半導體元件實際執行的適當安排，如圖2所示。此情況 中，該第一接觸1與該第二接觸3是安排在該非磁性半導體2 的層次上，而該第一接觸丨與第二接觸3之間再次出現該電 位4，該非磁性半導體2是安排在一絕緣基板8上。選擇這樣 的t排也疋為執行下面敘述的實驗。至於接觸丨和）的電力 連接，接觸墊la和3a是由金屬或一種類似金屬的材料製 成，分別安排於接觸丨和3上。 下面要敘述的實驗，是從圖2中安排的方式產生一層11摻 雜（10 cm )的Zn〇97Be〇.〇3Se半導體3，具有一厚度為 -19- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐）
裝 訂
571450 A7 B7 五、發明説明（17 ) 5 0 0毫微米沉積於一絕緣g a a s基板8上當做非磁性半導體層 2。此情況中該η型摻雜是以碘進行，該非磁性半導體層2是 以分子束轰晶所沉積。為了製造該接觸【和3，一半磁場層 t - 是由Zn0.89Beo·05Mn0.06Fe(n=5xl018cπΓ3)製成，並沉積 於該非磁性半導體層2上。該層次的導電性是以碘摻雜決定 的。/ 沉積一鋁層至厚度100亳微米於該半磁性層上，同時接觸 墊（200微米乘以250微米）是以微影技術規劃在該鋁層上， 以產生一接觸連接至該半磁性接觸丨和3。這些微影技術規 劃的接觸墊，是在一濕化學蝕刻製程中當做一蝕刻遮罩， 其製造過程中是要把未遮蓋區域内的該半磁性半導體，以 及厚度約10毫微米的非磁性半導體2去除。第二個光微影步 驟中規劃一升高的（mesa)區域，其圍繞著該兩個半磁性接 觸1和3，同時該半導體2的層次也安排在該接觸丨和3之間。 然後，接著此區域附近未遮蓋的ZnQ 97BeG Q3Se以一濕化學 钱刻去除，結果就形成了圖2所顯示的安排。/ 以該接觸1和3不同的層次厚度與該接觸丨和3不同的空間 所形成之半導體元件，是根據上述方法製成。 所測量到各種半導體元件的磁性電阻變化，於磁場強度 為0至7T且一直流電壓1〇〇微伏特（#v)下是4 2 κ，此情況 測量到的數據只在電阻改變的線性範圍内。所有的 Zno.89Beo.o5Mno.o6Se / Zn0.97Be0.03Se 組合結構展現一強 且正值的磁性電阻變化。該磁阻變化的範例曲線呈現於圖 3(曲線（a)和（b))。該磁阻中所觀察到的最大改變約為14 -20· 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 裝 訂
▲ 571450 A7 B7 五、發明説明（18 ) Ω (歐姆），其所安排的總電阻為20.5 Ω。如果減去2Ω的接 觸電阻，就可估算AR/m%的較低限度為該電阻的相對變 化。該電阻於磁場在1和2特斯拉（tesla)之間到達一飽和限 度。所觀察到的電阻變化是與該半導體元件在該磁場中的 方位無關。如果該第一和第二接觸込3的層次厚度，從2〇〇 毫微米（圖3中曲線（a))降抵至i 00毫微米（圖3中曲線， 該電阻的改變即以因素3減少。其中該接觸包括一非磁性半 導體用來比較之一半導體元件在該磁場内並沒有呈現電阻 的改變，其一測量精確度為0.2%(圖3中曲線（c))、 圖2中所安排的層次具有一高濃度^型摻雜，為了確保該 接觸1和3的内部磁阻變化是負值。以低濃度的摻雜（但是在 轉換到絕緣體之上），該半磁性接觸丨和3由於導電性之e_e 修正，具有一額外的正值磁阻變化。此影響隨著增加的摻 雜η根據（kFl) 3/2降低，其中是fermi能量的波動向量，以 及1是電子的平均自由路徑長度。只從該半磁性材料之一範 例的小且負值磁性電阻變化（2〇/〇)呈現於圖4。 此外，該電阻變化的範圍是以所給定層次厚度為1〇〇亳微 米之接觸1和3間距離的一函數來決定。該實驗顯示，隨著 增加正值磁阻變化的絕對值從〇·48 Ω (1〇微米）經過〇·4Ω (20微米）降低至〇 35Ω(30微米）。 該磁阻性半導體元件的個別層次之安排，可以在廣義 範圍内修正。 ^ ' 另外一個適合的結構顯示於圖5。然而，此情形該非磁性 半導體2是植入一半導體基板8内，該非磁性半導體2的導電 -21 - 571450 A7 B7 五、發明説明（19 ) 區域可以離子植入來規劃。本方法即在平面性矽技術中所 熟知的，該導電性可以摻雜的程度來設定。該非磁性半導 體2的η型摻雜情況下，該半導體基板8可α是p摻雜，結果 就可能相對於其連接的元件達到去耦合效果，因為該ρ-η接 合面中之一個總是會此情況下阻隔。既然第一接觸1和第二 接觸3可以同時應用於該非磁性半導體2的層次，只需要一 個磊晶步驟來製造這兩個接觸1和3。每一種情況中，該接 觸1和3的電力連接受到接觸墊la和3a的方式影響，其接觸 塾是一種金屬或是一種類似金屬的材料組成。 另外一個具體實施例呈現於圖6。此情況為該非磁性半導 體2是安排在一半導體基板8上，並且該半磁性第一接觸1是 形成於該非磁性半導體2上的一層次。第二接觸3可以同樣 地包括一半磁性半導體，或其他的一種非磁性材料，該第 二接觸是類似地直接安排在該半導體基板8上。該半導體基 板8也可以直接如同本發明的第二接觸的方式作用。每一情 況中該接觸1和3的電力連接再次受到經由接觸塾la和3a的 影響，其由一種金屬或一種類似金屬的材料組成。此情況 的電荷傳送是經由該半導體基板8而影響。所顯示的半導體 元件是根據已知的方法製造，下列適合的方式，例如：分 子束磊晶、低壓蒸氣相位磊晶、大氣壓蒸氣相位磊晶、或 是其他UHV蒸氣相位磊晶。 另外一個具體實施例顯示於圖7，其僅有一個非常小的空 間需求。此情況中，一第二接觸3可以包括一半磁性材料或 一非磁性材料，其安排在該半導體基板8上。該半導體基板 -22- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 571450 A7 B7 五、發明説明（2〇 ) 8也可以直接形成該第二接觸3，安排在該第二接觸3上的是 由非磁性半導體2組成的一層次，其上方安排的是由一半磁 性半導體組成的另一層次，以形成該第一接觸1。此情況中 電荷傳送也有部分受到半導體基板8影響。電力接觸的連接 是在該第一接觸1處經由接觸墊la影響，同時受到該半導體 基板8處的接觸塾8a影響v這些接觸塾la和8a是由 種金屬 或一種類似金屬的材料組成。 圖8顯示可以用於一記憶體元件之類的一安排。有一η摻 雜的區域形成根據本發明之半導體元件的非磁性半導體2， 該η推雜區域是植入一基板8 ’例如：一 ρ推雜的碎基板。在 該非磁性半導體2上安排的，是一個在另一個旁邊的一第一 半磁性接觸1 ’其可以從例如：Zn〇.89Be().〇5MnQ.()6Se架 構；以及一第二接觸3，其可以從一非磁性材料例如：鋁、 或從一半磁性材料例如：Zno.89Beo.o5Mno.o6Se架構。一鐵 磁性元件9可以由鈷組成，是安排在連接著該第一半磁性接 觸1。該鐵磁性元件9的磁化方向是可以改變的。此情況下 第一接觸1和鐵磁性元件9安排在一起非常接近，使得該第 一接觸1位於該鐵磁性元件9的外漏場内。半磁性第一接觸1 與鐵磁性元件9之間的距離，適當地選擇在50至100毫微米 範圍内。 該記憶體元件的功能顯示於圖8b。在一高電阻的狀態， 該第一接觸1位於該鐵磁性元件9的磁化10之外漏場内。此 狀態下，自旋偏極的電子是從該第一接觸1射入該非磁性半 導體2，使得只有一種自旋軌道能夠用來傳送電荷，所以該 -23- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 571450 A7 B7 五、發明説明 裝置呈現一增加的電阻。如果該鐵磁性元件9的磁化10是經 過90度旋轉（磁化11)，該第一接觸1就不再位於該鐵磁性元 件9的外漏場内。所以，從該第一接觸i進入該非磁性半導 體2的電子不再是自旋偏極的，為此原因該非磁性半導體2 内的兩種自旋執道可以用來傳送電荷。結果該半導體元件 的電阻就降低了。 * 圖9顯示一場效電晶體之一可能的安排情形。一第一^摻 雜的區域14其作用為源極，與一第一 η摻雜的區域15其作用 為沒極，都是規劃在一 ρ摻雜的矽基板8内。一閘電極12是 安排在源極和汲極之間的區域内，該閘電極是以一閘極電 介質13與該基板8絕緣。由一半磁性材料組成的一第一接觸 1 ’疋安排在該η摻雜的區域14上作用為源極。該接觸可以 從例如：Zn〇.89Be〇.〇5Mn〇.〇6Se架構。一金屬層16是安排在 該第一接觸上當做接觸墊，其金屬層可以由例如：鋁組 成，也可以藉由其金屬層電子被送入該第一接觸1内的方 式。一金屬層17是類似地安排在該η掺雜的區域15上作用為 汲極，其金屬層可以同樣地以例如：鋁組成。本發明之方 式的半導體元件是首先以第一半磁性接觸i形成，還有該11 摻雜的區域14作用為非磁性半導體。沒有場效應的狀態 下，就是說如果沒有電壓出現在該閘極處，就沒有電流從 源極流到没極。所以該非磁性半導體内的電阻變化情形也 不會發生，就是在該η摻雜的區域14内經過一外在磁場的作 用下。如果一外加電壓施加在該閘電極12處，電子就會聚 集在該閘極12的場效範圍内，並在該ρ摻雜基板8内引發一 -24- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X297公釐） 571450 A7 B7 五、發明説明（22 ) 導電執道18，其中該電荷傳送受到電子的影響。然後該導 電執道18即形成本發明之方式的第二接觸，該電荷載體經 由其接觸方式從該非磁性半導體中引出離開，或是該接觸 墊16與17之間的電荷傳送僅受到電子的影響。 圖9顯示的具體實施例中，根據本發明之半導體元件是形 成於源極14處。然而，也月以在汲極15處形成根據本發明 之半導體元件。同樣地，是可以在該源極和汲極兩處形成 根據本發明之半導體元件。相同地，該FET的架構並不限 於圖9顯示的具體實施例。 圖10顯示根據本發明之半導體元件做為一雙極電晶體的 一構成部分，其顯示的是一npn電晶體。該電晶體包括一第 一接觸1，其由一半磁性材料組成，例如：ZnBeMnSe。該 第一接觸1是連接一層的非磁性半導體2，此層次是安排在 一η摻雜的區域上，其作用為該電晶體的射極19。位於該射 極19下方的是該電晶體之一薄層ρ摻雜的基極20，是以該摻 雜的集極21連接。每一種情況中，接觸到該半磁性第一接 觸1、基極20、以及集極21的該歐姆接觸，是以金屬的接觸 墊16以及金屬的接觸墊la和20a所產生。如果相對於該射極 19的一正電壓出現在該基極20，那麼一電流會流經該半導 體元件，其在該基極20之區域内的電流，是由從該射極19 擴散至該集極21之電子載送。 然而，該射極19也可以直接形成根據本發明之半導體元 件的非磁性半導體。從該半磁性接觸射入該射極之自旋偏 極的電子，就擴散穿過該基極20進入該集極21，也提供電 -25- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 571450 A7 B7 五、 發明説明（ 子從該射極19流動到該基極20的接觸。該基極電流本身不 是用於一電阻的測量。 根據本發明之半導體元件也能夠接著安排在集極，或共 存地包括該集極。 圖11繪製顯示一讀寫頭的架構，其包括根據本發明之半 導體元件。經由例如：以is組成的一金屬層22，電子即進 入一第一接觸1 ，是從一半磁性材料例如：
Zn〇.89Be〇.〇5Mn〇.〇6Se架構。該第一接觸1是連接著一層非 磁性半導體2，該層次也可以從η摻雜例如：碎架構。所提 供一絕緣層23例如：由Si02組成，位於該金屬層22與該非 磁性半導體2的層次之間。該非金屬半導體2的層次是連接 著作用如第二接觸3之一層次，同時可以由鋁組成、一磁性 儲存介質24包括不同的偏極單元25，是安排在距離該讀取 頭的一短距離處，該磁性儲存介質可以是例如：一硬碟。 從該半磁性材料架構的第一接觸1是被該單元25的磁場圍 繞，使得經由該第一接觸進入該非磁性半導體2的電子之自 旋偏極化能夠被帶起來。為了讀取儲存在該磁性儲存介質 24内的資料，後者即被去除通過該讀取頭作用。在該第一 接觸之半磁性材料上的外在磁場變化，其為該個別單元25 的偏極化之結果。所以，射入該非磁性半導體層2之電子自 旋偏極化的程度有所改變，因此該半導體元件的電阻也改 變。結果，流通於該非磁性半導體層2的電流強度也有改 變。此改變能夠以一測量裝置（未顯示）來測量所得，該測量 裝置是經由該金屬層22連接到該第一裝置，以及經由作用 -26- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 裝 訂
線 571450 A7 B7 五、 發明説明（ 為第二接觸的層次3連接到該讀取頭，如此一來就可以讀取 儲存在該儲存介質24中的資料。. 圖12顯示具有複數個根據本發明之半導體元件，置於在 一基板上之一安排，是可以從彼此去耦合。一η摻雜的半導 體區域26是植入一 ρ摻雜的基板8内，通常是一石夕基板。安 排在該η摻雜的區域26上的是一非磁性半導體2，其上依序 加的是一層半磁性材料，該層的作用如同第一接觸1。該半 磁性接觸1經由一金屬接觸28的接觸連接，該金屬接觸具有 線性的電流-電壓特性曲線（歐姆接觸）。此外，安排在該η摻 雜的區域26上的是一金屬接觸27，選擇該金屬是為在交界 面處產生一 Schottky二極體。因此為測量該電阻的一電流 即可以只有一個方向，那麼就可以從半導體記憶體的列與 行線，以熟知的陣列方式接觸連接複數個根據本發明之半 導體元件，並且每一種情況中都可以經由驅動一列和一行 線而分別地連繫到一半導體元件。 圖12顯示只是一種可能的具體實施例。因此從實例可 見，該η摻雜的區域26也能夠直接形成該非磁性半導體2。 然後，該半磁性接觸1是直接安排在該植入的區域26上，此 外也可以互相交換歐姆接觸28和Schottky接觸27，如此可 能的電流方向就會改變。Schottky二極體在朝前的方向呈 現出一相當小的電壓降幅，所以也可以觀察到一磁阻效應 結合於根據本發明之半導體元件。如此安排特別適合連接 上述的記憶體元件，可參考例如：圖8所示已經敘述過的。 此情形中根據本發明之半導體元件是當做應器，由於 -27- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 裝 訂
▲ 571450 A7 B7 五、發明説明（25 ) 二極體會引起敏感度的損失，所以最好不要使用二極體。 圖13顯示根據本發明之半導體元件經由一pn二極體的去 耦合情形。如此一安排適合應用在電阻測量的敏感度為一 要求，但不是太迫切，例如：在MRAMs内。特別在整合的 矽二極體是便利的，以這種方式達到電子元件的高度整合 程度也是可能的。然而，源則上其他的半導體材料也可以 製造二極體。圖13顯示一半導體基板8，例如：一η摻雜的 矽基板。一ρ摻雜的區域30以一井形似的方式整合於該半導 體基板8内，接著該區域就圍繞著一 η摻雜的區域3 1。該區 域30和31可如實例以離子植入到矽基板内摻雜。安排在該η 摻雜的區域31上的是一非磁性半導體2，自旋偏極的電子是 在一磁場的影響下，從該半磁性第一接觸1射入其中。每一 種情況，該電力接觸至該半磁性第一接觸以及至該ρ摻雜的 區域30。是經由金屬的接觸墊3 2和33所產生的。該電子首 先從金屬的接觸墊32通過進入該半磁性接觸1，其中電子在 一外在磁場的影響下感受到自旋偏極化，該自旋偏極化的 電子接著被射入該非磁性半導體2内，然後穿過進入該η摻 雜的區域31。藉由在該ρ摻雜區域30内電荷傳送所受到的影 響，與電洞重合即在該ρ摻雜的區域邊界處受到影響。最後 電子的離開會在該接觸墊33處受到影響，是為了要完成電 路。相反方向的一電荷傳送是不可能的，因為以該區域30 和31形成的二極體是反向偏壓。以該ρ摻雜的區域30和η摻 雜的矽基板8形成的二極體影響了個別的元件相對於彼此產 生的絕緣，例如：在一陣列中使得一行的元件與相鄰一行 -28- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐） 571450 A7 B7 五、發明説明（26 ) 的元件是絕緣的。 圖14顯示一陣列中電子元件的安排，每一個該電子元件 包括根據本發明之磁阻性半導體34，和一個二極體35用來 去耦合於相鄰的磁阻性半導體元件。該陣列是以直行線36 和橫列線37形成的，由一磁阻性半導體元件34和一二極體 35所形成的每一個電子元并38，在每一種情況下都連接至 一直行線36和一橫列線37。/ 應用圖12顯示的一安排時，該金屬接觸28是連接到該橫 列線37，而且該金屬接觸27是連接到該直行線36。圖13顯 示的安排情況下，該接觸墊32是連接到該橫列線37，以及 該接觸墊33連接到直行線36。 如果目的是要決定該磁阻性半導體元件34,的電阻，施加 一測量電壓於該橫列線37,和該直行線36,，為使得測量的安 排3 9能夠決定電阻。此情況所有可能的電流路徑中只有該 二極體3 5 ’是順向偏壓的，而所有其他可能的電流路徑總是 包括至少一個二極體3 5是相反方向。因此可能選擇性地決 定磁阻性半導體元件34,的電阻或是電阻改變。 〆 圖15顯示一陣列的安排，其中該磁阻性半導體元件34是 以一電晶體4 0去輕合。如此一陣列可以從圖9和圖1 〇所顯示 的安排來了解。 該陣列再次包括直行線36和橫列線37。經由該橫列線 3 7，每一種情況下可以施加一測量電壓至一磁阻性半導體 元件。該接觸41於每一情形是對所有電晶體40在相同電位 處。該電晶體4 〇是可以驅動的，也就是說經由該直行線3 6 -29- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 裝 訂
571450
在通路的狀態與斷路的狀態之間轉換。 如果從磁阻性半導體元件34形成的電子元件與電晶體4〇 疋從圖9顯示的安排所形成，安排在該半磁性接觸1上的該 接觸墊16，是連接到該橫列線37，而且該閘電極12是連接 到該直行列36。以該金屬層17形成的接觸（汲極）於所有場 效電晶體是相同的電位，並對應圖15中的接觸4i。 圖10顯示的雙極電晶體情況，該接觸墊la是連接到該橫 列線37 ’而且接觸墊2〇a(基極）是連接到該直行線36，同時 該接觸16(集極21)於所有電子元件是相同的電壓。 為了能夠決定圖15所顯示陣列中磁阻性半導體元件34’的 電阻’可以施加一測量電壓至橫列線37，和接觸41，，如此測 量裝置39能夠決定該磁性半導體元件34，的電阻。該電晶體 41’是經由直行線36所驅動，使得連接至該直行線36’的電 晶體41是在通路的狀態。因為一測量電壓只出現在橫列線 37’内，一測量電路只產生在附屬電晶體4〇,的情況，使得選 擇性地只決定了該磁阻性半導體元件34,的電阻。 根據本發明之磁電性半導體元件的電阻改變是基於一新 的效應，與先前所知的磁阻性效應，如GMR，AMR，或 TMR完全不同。該磁阻性半導體元件能夠整合於許多的元 件内，並且能夠在廣義限制内以其架構的方式變化。 -30- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）
裝 訂
線 571450 A7 B7 五、發明説明（28 ) 參考符號 1 第一接觸 2 非磁性半導體 3 第二接觸 4 電位 5 自旋方向平行 ★ 6 自旋方向反平行 7 磁場Η 8 基板 9 順磁性元件 10 磁化性 11 磁化性 12 閘電極 13 閘電介質 14 源極 15 汲極 16 金屬層 17 金屬層 18 導電軌道 19 射極 20 基極 21 集極 22 金屬層 23 絕緣層 24 磁性儲存元件 -31 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 x 297公釐） 571450 A7 B7 五、 發明説明（ 25單元 26 η摻雜的半導體區域 27金屬接觸 28金屬接觸 29矽基板 30 Ρ摻雜區域 31 Ν摻雜區域 32接觸墊 33接觸墊 34磁阻性半導體元件 35二極體 3 6直行線 37橫列線 38電子元件 39測量裝置 40電晶體 41接觸 -32-本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐）

Claims (1)

  1. A B c D 571450 六、申請專利範圍 1. 一種磁阻性半導體元件，其包括一第一接觸（1)和一第二 接觸（3)，還有一層（2)的非磁性半導體，該層是安排在第 一接觸（1)與第二接觸（3)之間，其中該第一接觸（1)是由 一種半磁性材料組成。 2. 如申請專利範圍第1項之磁阻性半導體元件，其中該半磁 性材料是一種半導體。 3. 如申請專利範圍第1項之磁阻性半導體元件，其中一坑道 阻障物是安排在該第一接觸和該層的非磁性半導體之 間。 4. 如申請專利範圍第1項之磁阻性半導體元件，其中該第二 接觸（3)是由一種非磁性材料組成。 5. 如申請專利範圍第1項之磁阻性半導體元件，其中該第二 接觸（3)是從一種半磁性材料所架構。 6. 如申請專利範圍第5項之磁阻性半導體元件，其中提供一 坑道阻障物是位於由一種半磁性材料製成的該第二接觸 (3)與該非磁性半導體製成的層次（2)之間。 7. 如申請專利範圍第1項之磁阻性半導體元件，其中該第二 接觸（3)是從一種鐵磁性材料所架構。 8. 如申請專利範圍第7項之磁阻性半導體元件，其中提供一 坑道阻障物是位於由一種鐵磁性材料製成的該第二接觸 (3)與該非磁性半導體製成的層次之間。 9. 如申請專利範圍第1項之磁阻性半導體元件，其中該半磁 性材料是一種II-IV族半導體。 10. 如申請專利範圍第9項之磁阻性半導體元件，其中該II- -33- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）
    IV族半導體是BexMnyZni-x-ySe，而且Ο < x〈 i，ο < y < 1 ’ 以及O.OOOl < x+y < 〇 2。 U·如申請專利範圍第1項之磁阻性半導體元件，其中提供一 Schottky二極體，以達到在電流路徑中去耦合的目的。 12·如申請專利範圍第1項之磁阻性半導體元件，其中提供一 pn二極體，以達到在寫流路徑中去耦合的目的。 13· —種儲存元件，其包括根據申請專利範圍第丨項的一磁阻 性半導體兀件，以及安排在連接該第一接觸（1)的一鐵磁 性元件（9)。 14.如申請專利範圍第13項之儲存元件，其中提供一 Schottky二極體是為去耦合的目的。 15· —種場效電晶體，其具有一源極（14)、一汲極（15)、和一 閘極（12)，其中至少提供一個由一種半磁性材料製成的 第一接觸（1)，自旋偏極的電荷載體經由該第一接觸射入 該源極（14)和/或汲極（15)，或是從該處引出離開。 16· —種雙極電晶體，其包括作用為射極（19)的一區段、和 作用為集極（21)的一區段、以及作用為基極（2〇)的一區 域’該基極區域是安排在兩個該區段之間，其中至少提 供一個第一接觸（1)，自旋偏極的電荷載體經由該第一接 觸射入該射極（19)和/或從該集極（21)引出離開。 17 · —種磁性感應器，特別是讀取儲存在磁性健存介質内資 料的讀取頭’其包括根據申請專利範圍第1項之一磁阻性 半導體元件，也包括電力供給和相對於該第一和第二接 觸（1，3)的向外連接，還包括一測量裝置是連接到該供給 -34- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 571450 8 8 8 8 A B c D 六、申請專利範圍 和向外連接，並且用於測量電阻的變化。 18. —種測量一磁場強度的方法，其中該磁場作用於一感應 器，電荷載體於該感應器内一第一接觸被自旋偏極化， 該自旋偏極的電荷載體是射入一非磁性半導體，並且該 電荷載體是從該非磁性半導體引出離開而進入一第二接 觸，同時測量到電阻相對於一啟始狀態的改變。 ★ 19. 如申請專利範圍第18項之測量方法，其中該啟始狀態是 在沒有一磁場作用下，由該感應器的一電阻所形成。 20. 如申請專利範圍第18項之測量方法，其中該電荷載體是 電子。 -35- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）
    A 4 C4 中文說明書替換頁(92年10月） j以上各襴由本局填註） 571450 It m 專利説明書 、爹明 名稱 發明， 申請人 中 文 英 文 姓 名 國 籍 住、居所 姓 名 (名稱） 國 籍 f事務％ 磁阻性半導體元件，儲存元件，場效電晶體，雙極電晶體，磁 性感應器，以及測量磁場強度的方法 MAGNETORESISTIVE SEMICONDUCTOR ELEMENT, STORAGE ELEMENT, FIELD-EFFECT TRANSISTOR, BIPOLAR TRANSISTOR, MAGNETIC SENSOR, AND METHOD FOR MEASURING THE STRENGTH OF MAGNETIC FIELD 1. 羅倫斯莫能甘 LAURENS MOLENKAMP 2. 爵格雪米迪 GEORG SCHMIDT 1.荷蘭 THE NETHERLANDS 2.德國 GERMANY 1. 德國渥茲伯格市歐伯羅紐伯格威街1號 OBERER NEUBERGERWEG 1, 97074 WURZBURG, GERMANY 2. 德國林弗羅市雪倫伯格術10號 SCHELLENBERG 10, 97234 LINDFLUR, GERMANY 德商億恒科技公司 INFINEON TECHNOLOGIES AG 德國 GERMANY 德國慕尼黑市馬汀街53號 ST.-MARTIN-STRABE 53, 81669 MIJNCHEN, GERMANY 1.彼得季里茲 2.H.舒伯特 PETER ZEDLITZ H. SCHUBERT 本紙張尺度適財S ®家棣準(CNS) μ規格(⑽x 297公釐) 裝 訂 線
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI652493B (zh) 2014-02-25 2019-03-01 德商羅伯特博斯奇股份有限公司 感測器裝置，具有至少一磁鐵芯的感測器裝置的製造方法及求出沿至少一空間方向的磁場強度的方法
CN113176483A (zh) * 2020-01-09 2021-07-27 国家纳米科学中心 用于自旋场效应晶体管的自旋信号测量方法及系统

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7274080B1 (en) * 2003-08-22 2007-09-25 International Business Machines Corporation MgO-based tunnel spin injectors
US7598555B1 (en) 2003-08-22 2009-10-06 International Business Machines Corporation MgO tunnel barriers and method of formation
US7252852B1 (en) 2003-12-12 2007-08-07 International Business Machines Corporation Mg-Zn oxide tunnel barriers and method of formation
FR2871280A1 (fr) * 2004-06-03 2005-12-09 Spintron Sa Memoire magnetique a canal de confinement
US7270896B2 (en) 2004-07-02 2007-09-18 International Business Machines Corporation High performance magnetic tunnel barriers with amorphous materials
US7357995B2 (en) 2004-07-02 2008-04-15 International Business Machines Corporation Magnetic tunnel barriers and associated magnetic tunnel junctions with high tunneling magnetoresistance
JP2006086476A (ja) * 2004-09-17 2006-03-30 Toshiba Corp 磁気記録素子および磁気記録装置
US7300711B2 (en) 2004-10-29 2007-11-27 International Business Machines Corporation Magnetic tunnel junctions with high tunneling magnetoresistance using non-bcc magnetic materials
US7351483B2 (en) 2004-11-10 2008-04-01 International Business Machines Corporation Magnetic tunnel junctions using amorphous materials as reference and free layers
US7626236B2 (en) * 2005-06-28 2009-12-01 Purdue Research Foundation Transistor including paramagnetic impurities and having anti-parallel ferromagnetic contacts
US8669762B2 (en) * 2008-02-13 2014-03-11 University Of Delaware Electromagnetic wave detection methods and apparatus
JP2009200351A (ja) * 2008-02-22 2009-09-03 Tdk Corp 半導体スピンデバイス及びスピンｆｅｔ
DE102008026241B4 (de) * 2008-05-30 2016-12-01 Johannes-Gutenberg-Universität Mainz Inhomogene Verbindungen mit hohem Magnetwiderstand und Verwendung
KR101598542B1 (ko) * 2009-01-13 2016-02-29 삼성전자주식회사 스핀 전계효과 트랜지스터를 이용한 논리소자
JP2010199320A (ja) * 2009-02-25 2010-09-09 Tdk Corp シリコンスピン伝導素子の製造方法及びシリコンスピン伝導素子
US8941379B2 (en) * 2009-05-14 2015-01-27 University Of Delaware Electromagnetic wave detection systems and methods
CN102315255B (zh) * 2010-07-07 2013-10-16 中国科学院物理研究所 一种自旋场效应晶体管及其磁性存储器
US9136398B2 (en) * 2011-02-21 2015-09-15 Northwestern University Bipolar magnetic junction transistor with magnetoamplification and applications of same
CN104603951B (zh) 2012-08-14 2017-05-24 国立研究开发法人科学技术振兴机构 自旋极化晶体管元件
DE102017001963A1 (de) 2017-03-01 2018-09-06 Forschungsverbund Berlin E.V. Tunnelwiderstands-Bauelement und Verfahren zu dessen Herstellung
CN112799240B (zh) * 2020-12-30 2022-09-16 广东省科学院半导体研究所 磁光器件及其制作方法
US12038308B2 (en) * 2021-03-24 2024-07-16 Analog Devices International Unlimited Company Magnetic sensor system having an initialization conductor

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69331895T2 (de) * 1992-12-29 2002-12-19 Eastman Kodak Co., Rochester Magnetoresistiver Magnetfeldsensor mit sehr langem Wirkbereich
US5654566A (en) * 1995-04-21 1997-08-05 Johnson; Mark B. Magnetic spin injected field effect transistor and method of operation
US5565695A (en) * 1995-04-21 1996-10-15 Johnson; Mark B. Magnetic spin transistor hybrid circuit element
JP3207094B2 (ja) * 1995-08-21 2001-09-10 松下電器産業株式会社 磁気抵抗効果素子及びメモリー素子
US5640343A (en) * 1996-03-18 1997-06-17 International Business Machines Corporation Magnetic memory array using magnetic tunnel junction devices in the memory cells
US5962905A (en) * 1996-09-17 1999-10-05 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetoresistive element
EP0882289B1 (en) * 1996-12-02 2003-08-06 Koninklijke Philips Electronics N.V. Lateral magneto-electronic device exploiting a quasi-two-dimensional electron gas
JP2924845B2 (ja) * 1997-03-24 1999-07-26 ティーディーケイ株式会社 スピンバルブ磁気抵抗素子を備えた磁気ヘッド及びその製造方法
JPH1187796A (ja) * 1997-09-02 1999-03-30 Toshiba Corp 磁性半導体装置および磁性記録・再生装置
JP3646508B2 (ja) * 1998-03-18 2005-05-11 株式会社日立製作所 トンネル磁気抵抗効果素子、これを用いた磁気センサー及び磁気ヘッド
AU4024800A (en) * 1999-03-29 2000-10-16 Gillette Company, The Alkaline cell with improved separator
FR2791814A1 (fr) * 1999-03-31 2000-10-06 Univ Pasteur Dispositif microelectronique a jonctions tunnel et reseau de memoires et capteur comprenant de tels dispositifs
JP4076197B2 (ja) * 1999-05-19 2008-04-16 株式会社東芝 磁性素子、記憶装置、磁気再生ヘッド、３端子素子、及び磁気ディスク装置
US6624490B2 (en) * 2000-10-26 2003-09-23 The University Of Iowa Research Foundation Unipolar spin diode and the applications of the same

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI652493B (zh) 2014-02-25 2019-03-01 德商羅伯特博斯奇股份有限公司 感測器裝置，具有至少一磁鐵芯的感測器裝置的製造方法及求出沿至少一空間方向的磁場強度的方法
CN113176483A (zh) * 2020-01-09 2021-07-27 国家纳米科学中心 用于自旋场效应晶体管的自旋信号测量方法及系统
CN113176483B (zh) * 2020-01-09 2023-04-28 国家纳米科学中心 用于自旋场效应晶体管的自旋信号测量方法及系统

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Publication number Publication date
CN1509413A (zh) 2004-06-30
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KR20030093249A (ko) 2003-12-06

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