[发明专利]一种自旋晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及一种与自旋有关的固态开关及放大器件，更具体地涉及全金属性或半金属性的PNP、NPN型自旋晶体管器件。

背景技术

以半导体PN结为基础的PNP、NPN型晶体管是半导体集成电路中的基本元件，在半导体电子工业中有着广泛的应用。常见的半导体材料，其本征晶体导电性很弱，而通过引入不同价态的杂质元素使得半导体材料成为以电子为主要载流子的N型半导体或以空穴为主要载流子的P型半导体。将合适的P型和N型半导体结合在一起，P型半导体和N型半导体之间的载流子由于存在电子浓度差而相互扩散，导致界面附近形成以内建电场形式存在的自由载流子耗尽层。内电场的建立将会阻碍半导体中的多数载流子的扩散，在外加偏压电场与内电场方向相同时，将进一步阻碍多子的扩散，PN结呈现高电阻态；而外加偏压电场与内电场方向相反时，内电场将被削弱或抵消，有利于多子的扩散，此时PN结呈现低阻态。以此为基础，在PNP型晶体管(集电极、基极、发射极)中，电子由基极进入，在电压的作用下流向发射极，其原理与PN结相同，形成基极电流。与此同时，在集电极和发射极间加电压，由于基极存在导通电流，电子处于非平衡态，且基极区很薄(几个微米至几十个微米)，基极区中的非平衡态电子可以扰乱集电极与基极间的空间电荷区，使这个PN结中的电子顺势流动，形成了电流的通路。由于集电极区空穴密度比基极区多上百倍，绝大部分电子由此通过，所以其电流比基极电流大得多，而且是随基极电流成比例增大，这样就形成了晶体管的放大效应。NPN型晶体管的工作原理与此类似。

已知的自旋晶体管器件，比如在1993年Johnson的文献1“M.Johnson，Science 260(1993)320”中提出了一个由铁磁性金属发射极、一个厚度小于自旋扩散长度的非磁性金属基极和另一个铁磁性金属集电极组成的“铁磁性金属/非磁性金属/铁磁性金属”三明治全金属自旋晶体管，但该结构不具有可加工性；因为非磁性金属层如果要小于自旋扩散长度，就必须小于100纳米，且该结构为水平加工模式，要在小于100纳米的层上再覆盖一个栅极是非常困难的，此外，由于不能一次性成膜，非磁性金属层的晶体生长结构无法控制，因此会导致生产器件的不稳定。再比如IBM实验组提出了单势垒磁性隧道结自旋晶体管，其结构为：金属(发射极)/氧化铝/铁磁性金属(基极)/半导体材料(集电极)；然而，由于基极与集电极之间的肖特基势使得此类晶体管存在以下缺点：(1)缺乏对基极-集电极间工作电压的有效控制；(2)在发射极-基极间的电压较小时，存在较大的漏电电流；(3)集电极导通电流过小，导致放大倍率不足。再比如2002年S.Yuasa的文献2“S.Yuasa，Science297(2002)234”中公开了在单势垒磁性隧道结中发现了自旋极化共振隧穿现象，可以利用双势垒隧道结的共振隧穿效应制作共振隧穿自旋晶体管。该方法虽可以克服上述现有技术中的问题，但由于所依赖工作的量子化能级取决于双势垒隧道结中间层的厚度、各界面的接触和工作温度，从而导致量子化能级非常难于控制，且加工十分困难。

鉴于现有技术的不足，就需要有一种新的自旋晶体管，希望这种自旋晶体管易于操控并且放大倍率高，最好还能够稳定工作于室温环境、具有抗辐射性。

发明内容

本发明的目的在于克服已有的自旋晶体管器件不易于操控、放大倍率低的不足，从而提供一种易于操控、放大倍率高的自旋晶体管。

为了实现上述目的，本发明提供一种自旋晶体管，包括发射极层、基极层和集电极层；其特征是，还包括：形成在所述发射极层和所述基极层之间的第一铁电体层，用于调节所述发射极层和所述基极层之间的空间电荷区的大小，形成在所述基极层和所述集电极层之间的第二铁电体层，用于调节所述基极层和所述集电极层之间的空间电荷区的大小，所述发射极层、所述基极层和所述集电极层采用金属性或半金属性材料。

由于本发明的自旋晶体管是完全基于PN结工作原理，所以易于操控；利用铁电体层的绝缘层，调节金属性或半金属性材料间的空间电荷区的大小，有效增强了其内建电场的强度，从而使本发明的自旋晶体管具有了普通半导体晶体管的放大和整流特性；且自旋晶体管的导通和放大原理与半导体晶体管一致。