TWI246775B - Spin transistor - Google Patents

Description

1246775 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於一種電晶體，特別是關於一種應用電子自旋 特性之自旋電晶體（spin i：ransist〇r，or magneto transistor) 〇 【先前技術】 自旋電晶體為新一代的電子元件，利用電子之自旋特性與 外加磁場作用來控制電流流量，進而產生類似傳統電晶體的 效應電子的自旋特性具有上旋與下旋（spin up and spin down)兩種自方疋狀悲，因此利用電子自旋特性的元件將比傳 統το件只利用電子電荷有更多的控制參數及使得電路設計更 有彈性。 目别所開發之自旋電晶體為雙位能障之自旋電晶體結 於電晶體中提供兩種位能障並結合磁電阻元件，利用自 ，電子在磁電阻元件中不同磁矩排列狀態的情況下通過位能 ί1早’、否末產生磁電流變化。如1995年Monsma所提出的自 旋電晶體架構與製程，係將兩片摻雜n型離子之矽基板以面 對面方式真空黏著分別作為射極與集極，中間夾一個金屬自 旋閥(Spinvalve)做為基極（base)，自旋閥的結構為鉑(Pt)/鈷 鈷(c〇)。電晶體之射極/基極及基極/集極均為 f 土 ^能障（Schottky barrier)接面結構。於射極/基極施加 f偏壓’則電子從魏板跨雜雜人基極成為熱電子。而 =電子之傳導將受到自旋閥中的兩鈷層磁化方向是否相同 景=，當秘層磁化方向相反，不論是自旋向上或自旋 均制阻礙，通過的電流較小。當兩層銘層之磁化方 向為平行，此時自旋向上的電子通過的機率增加，電流辦大 在室溫達到200 %以上的磁電‘變化 羊C疋輸出電流非常小，使其用途受到限制，且由於製作 1246775 較困難，元件結構難以微小化。 1995年所提構係，Mi—於 作-磁電阻元件作為基極:與由化^(G，5)基板上製 位能障，並在氧化鋁上鍍上作氧化鋁作為- -5 年障之自旋電晶體結構的操作溫度，於2002 le^ («ο 之輸出及磁電流變亚達到1微安培⑽） 之η型坤^ίίίΓΐ Γ %。此結構係於作為集極 合金声& °其特點係在射極上蒸鑛反鐵磁的錶‘ (^ 以將射極的磁化方向釘住 。磁’ ΓΙ以僅改變基極的磁化方向，但不影響射 门方向，如此’即可控制入射電子之自旋方向。但是 的氧化成本昂貴’氧化紹金屬層所產生 磁電济^▲自性不谷易控制關題，而且要達到較佳的 磁雷率’需要品質良好的鍍層來組成高電流變化率的 磁電阻赠，在製程上具有相tA_度。 午 【發明内容】 有鑑於習知技術，本發明提供一種自旋電晶體，係以磁電 1246775 =兀=作為射極，並利用提供單—位 ，’基極形成於兩者之間，再結合基 磁電阻電紅變⑽ΐίΐίΓίί物㈣顧能障的 射極==電= 射極、集極、基極與基極電阻， 同電二ΪΪΠη別於不同外加磁場的情況下提供不 尾尸，木極為破動兀件，係提供單一位能 於f極與集極之間，分別f性導通於射極鱼华相 月巨I1 早，基極係間隔 極；基極電阻 生间電阻14低電阻，故可於固定電壓之下產味； 大小的射極電流’使得在不同外加磁場的情υζ =件的位輯之集極電流亦隨之產生變化 木才作‘、.、占產生飄移，此-作用可更增加集極f流之變化率使 其中，磁電阻元件可包含鐵磁層， 。基極組成磁電阻元件，並與集極之被動元件電性導通。 解，造特徵及其功能有進一步的了 【實施方式】 示竟本發明第—實施例之自旋電晶體結構 接觸Ϊ ^31 :〇;基極12〇、基極電阻12卜集極130 :、^姆接觸層131，射極11G為由磁性多 :iu:^r3；r ”障，並於集極上齡以作為131^^·^ 隔於射極no與集極130之間，以分別連接於射極ιι〇與= 1246775

(planar-doped-barrier diode)、通道二極體(tunnd di〇de)、此振 穿逐二極體(resonant-tunneling diode)、共振能帶間穿遂二極體 130 ;基極電阻121則連接於基極12〇。 為穿隧式磁電阻元件、自旋閙磁雷卩日； (resonant-mterband-tunneling diode)、單位障穿遂二極體 (single-barrier tunnel diode)、單位障能帶間穿遂二極體 a(smgle-barrier interband-tunneling diode)、實空間傳導二極體 (real-space-transfer diode)、異質結構熱電子二^體 (heterostructure hot-electron diode)、撞擊游離崩渡時二極體、 (impact-ionization_avalanche transit-time diode)、能障注入渡時 二極體(barrier-injection transit-time diode)、p-i_n 光二極體 (p_^i photodiode)、蕭基光二極體(Schottky_barrierph〇t〇di〇de) 及崩潰光二極體(avalanche photodiode)等任意被動元件。 自旋電晶體之集極電流變化率需經測量得知，請參考第2 圖’其為自旋電晶體之集極電流變化率測量電路示意圖，分 別於射極110端與基極120端提供射極電壓源與基極電壓 源，以提供射極電壓(VE)140與基極電壓(VB)150，並以安培 計160測量輸出之集極130電流。輸入之射極11()電流為射 極110至基極120間的電壓(VEB)除以磁電阻元件之電阻。因 此’根據在不同外加磁場的情況下，磁電阻元件將提供之不 同電阻，進而產生不同的輸入電流，得到相應之輸出電流。 由於本發明之自旋電晶體為單一位障（single potential barrier)結構，不但簡化整體的自旋電晶體結構，使各元件的 製作皆可整合至半導體製程，可將射極、基極與集極整合製 作於一基板上，此基板可為半導體基板，如；5夕基板或坤化鎵 !246775 基板，以可使用塑膠或玻璃基板。此結構亦可大幅 電流’使輸出電流相應提升’進而增進集極電流變化0率。別入 ，為實際驗證本發明之自旋電晶體的室溫電流變 穿隧^磁電阻元件作為本發明實施例巾的磁電阻元件進行 溫=變化率的測量，穿隧式磁電阻元件係由第= 二鐵磁層層疊形成，第一鐵磁層係接合於被“ 阻’_亳频喝之祕電㈣及G簡之 驗之測量參數；其電流變鱗之結果如第 ^ 電流㈣.5降至83.6奈安培，電流變化率可$ 電流由46.5降至41.2奈安培，電流變化率達 =

歐姆(Ω) ’射極電壓為65毫伏特二 1 2 ίί綱壓進行測量;其電流變化率之結果如第4 射極電流由97·8降至9G.6奈安培，電流變化率可 ，公’木極電流由8〇·3降至Μ奈安培，電流變化率J 可’藉由改變基極電阻、射極電壓與基極電壓， 可改變自旋電晶體之磁電流變化率。 电& 件進f于元件作為本發明實施例中的磁電阻元 Ϊ 以刚歐姆(Ω)之基極電阻，126伏特之 二二，以及G伏特之基極電壓作為實驗之測量參數；1電 2 f之結J如第5圖所示，其射極電流由⑶降至^ ’電流:化率可達2 38% ;基極電流由4 68降至㈤ ’電化率可達1·52% ;集極電流由〇.46降至041 f流變化率可達12.2%。將射極電壓調整為1伏特， f阻以及G伏特之基極電壓；其電流 毫安捭杳圖所不，其射極電流由3·988降至3.922 。’電雙化率可達i·68% ;基極電流由3.964降至3.906 10 1246775 耄安培，電流變化率可達h48%，·集極電流由2〇 微安培(VA)，電流變化率可達94.55%。 牛至10.28 流改^所鼓的細電流與電 並，使得自旋電晶體應用範圍更加廣泛。 午/、電机％ 定本所述’然其並非用以限 範圍内，4=相ΐ技蟄者，在不脫離本發明之精神和 範圍;視; 【圖式簡單說明】謂之^專利辄圍所狀者為準。 電晶體結構示意圖； 第3圖木極電流變化率測量電路示意圖； 測量結果圖式電阻元件之自旋電晶體的電流變化率 測量果圖圖為牙1磁電阻兀件之自旋電晶體的電流變化率 測量絲圖圖\自疑閥磁電阻元件之自旋電晶體的電流變化率 測量:果圖回為自方疋閱磁電阻70件之自旋電晶體的電流變化率 【主要元件符號說明1 110 射極 120 基極 121 電阻 130 集極 131 歐姆接觸層 140 射極電壓 1246775 150 基極電壓 160 安培計

Claims (1)

1246775 十、申請專利範圍： 1· 一種自旋電晶體，其包含有·· 一射極，為一磁雷阳； 、 供不同電阻； 牛，以於不同外加磁場的情況下提 •美搞，，用以提供-位能障； 係透過i基極形該集極之間，該射極與該集極 2如申往連接於職極以提供-偏壓。 •由樹戶 = 斤述之自旋電晶體’其中該磁電阻元件係 H ί ί 第1項ί斤述之自旋電晶體，其中該磁電阻元件俜 圍中， ‘杲極，為 5·如申#專利範圍第4項所述之自旋電晶體，其中該二極體係選自 P:n二極體、p-i-n二極體、蕭基二極體(Sch〇ttky—以汀土從 diode)、平面摻雜位障二極體(pianar—^叩以―barrier diode)、通道二極體(tunnel diode)、共振穿遂二極體 (resonant-tunneling diode)、共振能帶間穿遂二極體 (resonant-interband-tunneling diode)、單位障穿遂二極體 (single-barrier tunnel diode)、單位障能帶間穿遂二極體 (single-barrier interband-tunneling diode)、實空間傳導 二極體(real-space-transfer diode)、異質結構熱電子二極體 (heterostructure hot-electron diode)、撞擊游離崩渡時二 極體、（impact-ionization-avalanche transit-time diode)、 能障注入渡時二極體(barrier-injection transit-time diode)、p-i-n 光二極體(p-i-n photodiode)、蕭基光二極體 (Schottky-barrier photodiode)及崩潰光二極體（avalanche photodiode) 〇 6.如申請專利範圍第1項所述之自旋電晶體，其中更包含一歐姆接 觸層。 7.如申請專利範圍第6項所述之自旋電晶體，其中該歐姆接觸層係 13 I246775 :變ΒβΆ 一、_ Η)基射該基板係選自石夕 〗膠基板申Γ專細糊所敎自旋綱，射該基板為塑 1璃ί板申請專利範圍第8項所述之自旋電晶體，其令該基板為玻 J2· —種自旋電晶體，其包含有· 能障； 外加磁場的情況下提供不同電阻，2分別於不同 ;集極之間，該射極與該集極係透過s基S2I2J3與 13如中士於該基極以提供-偏屡。 件係由:磁性斤述之自旋電晶體，其中該磁電阻元 14膜，㈣磁性多層 基極。孰卿係‘接於韻極，該鐵磁層係用來做為該 15件:中該磁電阻元 件與衝擊式磁電阻元件所組成的族群盆中之=。巨磁電阻兀 17:g ί申請fl範圍第16項所述之自旋電晶體，其中該二極體係 夂自PfH PH二極體、蕭基二極體(Sch〇 ; d1〇de、平面摻雜位障二極體(planar_d〇ped_barrJr ^ode)、通道二極體(tunnel di〇de)、共振穿遂二極體 (resonant-tunneling diode)、共振能帶間穿遂二極體 (resonant-interband-tunneling diode)、單位障穿遂二極體 (single-barrier tunnel diode)、單位障能帶間穿遂^體 14 1246775 (single-barrier interband-tunneling diode)、實空間傳導 二極體(real-space-transfer diode)、異質結構熱電子二極體 (heterostructure hot-electron diode)、撞擊游離崩渡時二 - (impact-ionization-avalanche transit-time diode) Λ 能障注入渡時二極體(barrier-injection transit-time diode)、p-i-n 光二極體(p-i-n photodiode)、蕭基光二極體 (Schottky-barrier photodiode)及崩潰光二極體（avaianche photodiode) 〇

&璃£^專__19項所述之自旋電晶體， 璃基板 其中该基板為塑 其中該基板為破