專利名稱：具半磁性連接之半導(dǎo)體組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與一磁阻性半導(dǎo)體組件相關(guān)，并且與一儲存組件、一場效晶體管及一磁性感應(yīng)器相關(guān)，更特別地，是在使用讀取頭用以讀出儲存在磁性儲存媒體之信息方面，在每一案例中皆包含了一磁阻性半導(dǎo)體組件。
在過去十年，載荷子之電磁學(xué)及自旋極化傳輸已經(jīng)快速熟練的發(fā)展，觸發(fā)這些發(fā)展主要是藉由所謂巨磁阻(GMR)以及穿隧磁阻(TMR)的發(fā)現(xiàn)，這兩樣發(fā)現(xiàn)的結(jié)果使得第一次將磁場或是一物體之磁化信息直接轉(zhuǎn)換使其在磁阻方面有所變化得以成功，這兩樣結(jié)果皆是基于兩個鐵磁連接之間自旋極化之傳輸，這兩個連接相關(guān)之磁化對于整體組件之磁阻是相當(dāng)重要的。在上述案例中，GMR是使用在純金屬結(jié)構(gòu)上，而TMR則是使用在兩鐵磁金屬層之間具有一氧化穿隧阻障的結(jié)構(gòu)上。現(xiàn)今，TMR結(jié)構(gòu)用來電子性可讀取磁性內(nèi)存(MRAMS)上，而GMR在商業(yè)上主要是用在磁場感應(yīng)器技術(shù)以及硬盤讀取頭上。
至于GMR在具有其間配置了一層非磁性金屬導(dǎo)體層之兩個鐵磁連接之純金屬組件方面，平行磁化及非平行磁化之間磁阻的改變已經(jīng)測量過，藉由外部場域的應(yīng)用以及由此相鄰鐵磁層磁化之平行定位，組件之磁阻性會降低。由于金屬傳導(dǎo)性的關(guān)系，類似組件的阻抗很難符合半導(dǎo)體電路要求，這使得更難將GMR結(jié)構(gòu)整合在此種電路上。
1999年，R.Fiederling，M.Keim，G.Reuscher，W.Ossau，G.Schmidt，A.Waag及L.W.Molenkamp(Nature 402，787-790(1999))做出將自旋極化電子注射進(jìn)入一非磁性半導(dǎo)體，其系藉由一發(fā)光二極管產(chǎn)生的光測量該電路之極化作用，該電子自旋之極化作用系藉由透過一Be0.07Mn0.03Zn0.9Se半導(dǎo)體連接注入電子至一GaAs半導(dǎo)體中，循環(huán)極光則是藉由重新組合非極化孔洞產(chǎn)生，其系由該GaAs半導(dǎo)體層之反面注入。
本發(fā)明的一個目的是提供一磁阻性半導(dǎo)體組件，其系可使偵測即使非常弱之磁場得以成功，展示出在外部磁場作用中磁阻性明顯的變化(ΔR/R之增加)，以及具有一高度敏感性S(S＝ΔR/R/ΔH)。
該目的是藉由一磁阻性半導(dǎo)體組件達(dá)成，其包含一第一連接及一第二連接、一非磁性半導(dǎo)體層，其系配置在該第一連接和第二連接之間，其中該第一連接系由一半磁性物質(zhì)所組成。
根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件，由該第一連接至該第二連接之電荷傳輸不是僅受電子影響就是僅受孔洞影響，該載荷子因此透過該第一半磁性連接進(jìn)入該非磁性半導(dǎo)體，并在該第二連接再次由該非磁性半導(dǎo)體中被抽出。根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件因此便與上述之LED方式有所不同，其系藉由以下事實，該案例之末段步驟，自旋極化電子由第一連接注入至該非磁性半導(dǎo)體，但他們會藉由該發(fā)射之光于非磁性半導(dǎo)體重新組合，其系具有由該第二連接注入至非磁性半導(dǎo)體之非極化孔洞，二極管中之電荷傳輸也因此會受到電子以及孔洞的影響。與上述二極管相反的是，根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件，該半導(dǎo)體內(nèi)之電荷傳輸僅以電子或以孔洞發(fā)生，該兩個半導(dǎo)體組件因此基于不同之電荷傳輸，此外，該半導(dǎo)體組件較佳的是具有一近乎線性I/V特性曲線。
一電流流過根據(jù)本發(fā)明之組件乃為了磁阻測量之目的，該組件能更進(jìn)一步與半導(dǎo)體組件組合，其中該電流只要尚未離開該半導(dǎo)體，即由一種載荷子所攜帶，這些載荷子最好是電子。至于其它在半導(dǎo)體集合中流動卻不用來做磁阻測量之其它電流，也能由其它個別種類之載荷子所攜帶，并且在其電流路徑中包含了p-n接合點。在本案中，該半導(dǎo)體之實施是在用以做磁阻測量之電流部分，該電流系由第一金屬或類金屬連接進(jìn)入該半導(dǎo)體，直到另一金屬或類金屬連接，而電流再次流出半導(dǎo)體為止。類金屬連接被認(rèn)為其導(dǎo)體特性比得上金屬連接之連接，舉例來說，此種連接包含硅化物、或具有適當(dāng)?shù)馗邼櫥饔弥酃铇渲８鶕?jù)該實施例所描述，該磁阻性半導(dǎo)體組件因此可整合至藉由該半導(dǎo)體形成之部分。
一個p-n二極管強烈地具有一種非線性電流-電種特性，在電壓上一個小小的改變會因此造成該微分阻抗ΔV/ΔI產(chǎn)生巨大的改變。就因為這個因素，一個p-n二極管最好是避免出現(xiàn)在供測量阻抗用之電子電路中。
在Fiederling et al.所描述的二極管中，如同所監(jiān)測到的磁阻效應(yīng)對于根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件也并非我們所期待的，因為類似這種LED之阻抗非常的高，且該阻抗也不會由于外部磁場而特別發(fā)生改變。
與GMR效應(yīng)相比，半導(dǎo)體組件之阻抗會在外部磁場下增加，因此，會測得一正磁阻，其可能會讓一傳導(dǎo)電子達(dá)到100％完全極化。在本案中，所被測量的是一阻抗的變化，其系介于磁化0(亦即無外部磁場作用)，以及相同自旋磁化之連接之間，該連接系由半磁性材料于一外部場域作用下制成的。
如同半導(dǎo)體組件，將根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件整合入微電子集成電路裝置是毫無困難可實行的，此外，根據(jù)本發(fā)明之該半導(dǎo)體組件也能毫無困難地與其它電子組件組合在一起，以便能產(chǎn)生新的儲存組件，例如MRAMS或是磁場感應(yīng)器。此后，無外部磁場之作用，傳導(dǎo)電子乃非極化且在外部磁場中也不會發(fā)生該傳導(dǎo)電子之極化隨角度發(fā)生變化的情形，其初始狀態(tài)總是定義的很明白。此外，也不需要像在GMR結(jié)構(gòu)中一樣，將第一和第二連接之磁化連接起來，也因為這原因使得根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件可藉由第二連接適當(dāng)?shù)馗淖兌黠@地有更廣泛之應(yīng)用。
對磁阻半導(dǎo)體組件最重要的就是，在外部場域作用下阻抗的改變與該組件總阻抗之比值ΔR/R。根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件必須要遵從該組件之總阻抗必不能明顯大于阻抗的改變。
一個半磁性物質(zhì)據(jù)了解是具有強順磁性之物質(zhì)。鑒于在鐵磁物質(zhì)中自旋特性，也就是說傳導(dǎo)電子通常在沒有外部場域作用下即具有極性，而半磁性之磁性物質(zhì)在無外部場域作用下則具有非極性傳導(dǎo)電子，電子的自旋也因此不具優(yōu)先方向，而當(dāng)使用一外部磁場時，該物質(zhì)之傳導(dǎo)電子就會自旋極化。該自旋極化作用可能會藉由例如一相當(dāng)大等級之電子能階Zeeman分裂而展現(xiàn)，由于此等高度的能階分裂，注入之電子(或載荷子)就會積極地?fù)屨几欣蚙eeman能階位置，這些自旋極化電子接著就能被注入無磁性之半導(dǎo)體中。
具有很大g因子的物質(zhì)可用來作為半磁性之材料，g因子描述的是一電子之有效朗德因子(Lande factor)，一個大的g因子會導(dǎo)致高度之Zeeman能階分裂態(tài)。為了能監(jiān)測該電子組件阻抗之明顯改變，g因子最好是大于50，特別最好是大于200，舉例來說，薄磁性II/VI半導(dǎo)體就很合適，特別是以ZnMnSe為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體就更合適。在非入或n-入之ZnMnSe-(II/VI半導(dǎo)體)中，錳的自旋通常是以反鐵磁性連結(jié)的，在非常低的Mn濃度及低溫下，該sp-d交換作用會導(dǎo)致g因子增大至100，其將導(dǎo)致傳導(dǎo)電子有高度之Zeeman能階分裂態(tài)，磁性錳離子就能等電子地被并入半導(dǎo)體中，以致于傳導(dǎo)性以及載荷子(電子或孔洞)之形式能藉由更進(jìn)一步入之合并來控制，舉例來說，碘及氯的入就很適合n型入。
此外，使用III/V半導(dǎo)體也是有可能的，例如非鐵磁相中之GaMnAs或InSb。在本案例中，半導(dǎo)體之入可用鈹、硅、碳、鋅、碲或硫適當(dāng)?shù)赜绊?，此外，使用例如HgCdTe之窄頻半導(dǎo)體也是可行的，如果必要的話，則碘及氯的嵌入也會有作用。詳細(xì)列舉這些嵌入只是舉例方便了解而已，熟習(xí)此項技藝者可從半導(dǎo)體技術(shù)中得知該用哪種不同的摻雜物以個別達(dá)到n型或p型嵌入的目的。
原則上，所有非磁性半導(dǎo)體，例如第IV族、III/V和II/IV半導(dǎo)體，都能被用來作為非磁性半導(dǎo)體層，硅和Si/SiGe二維電子氣體則特別地合適，因為這些皆具有低度之自旋散射，且在根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件之微型化中發(fā)生也僅有一點點難度而已。舉例來說，硅、磷、砷、銻、硼能用作嵌入，而這些嵌入一樣只是舉例方便了解而已，自然地使用所有已知用以半導(dǎo)體嵌入之物質(zhì)也是可行的。
半導(dǎo)體組件于外部磁場下阻抗的改變是可以監(jiān)測到的，特別是如果該第一連接與非磁性半導(dǎo)體具有一類似等級之電子導(dǎo)體。半磁性物質(zhì)以及非磁性半導(dǎo)體之阻抗率ρ較佳是在10-3至100歐姆公分(Ωcm)之范圍、較佳是0.01至10歐姆公分之范圍，特別較佳是在0.01至1歐姆公分之范圍。半磁性連接與非磁性連接之阻抗率比值ρsemimagn./ρnonmagn.較佳是在1000至0.01之間，較佳是在100至0.1。半磁性連接最好具有與非磁性半導(dǎo)體相同或較小之傳導(dǎo)度，第一連接和非磁性半導(dǎo)體之傳導(dǎo)度能能以適合的嵌入而彼此協(xié)調(diào)一致。當(dāng)半磁性第一連接無法達(dá)到理想自旋極化(~100％)時，第一連接之半磁性物質(zhì)與非磁性半導(dǎo)體阻抗率之比就很重要，若提供理想的自旋極化作用，則僅自旋極化之載荷子會被注入非磁性半導(dǎo)體，非磁性半導(dǎo)體的傳導(dǎo)度就變成第二重要的了。
監(jiān)測的阻抗改變能清楚地使用二自旋信道模式說明，二信道的存在是供電荷在非磁性半導(dǎo)體載荷子之傳輸用，其載荷子具有與在一信道傳輸之外部場域有關(guān)之相同自旋方向，以及與在另一信道傳輸之外部場域有關(guān)之相反自旋方向，該載荷子在兩個信道皆以相同比例傳輸，一外部磁場因此對非磁性半導(dǎo)體之阻抗便沒有影響。如果該注入非磁性半導(dǎo)體接著經(jīng)由半磁性連接所影響而沒有受到外部場域之作用，該電荷傳輸透過非磁性半導(dǎo)體在兩個自旋信道受到作用的比例也是一樣。如果該半導(dǎo)體組件被引入一外部磁場，該Zeeman項就會依據(jù)該磁化作某種程度之能階分裂，傳導(dǎo)電子接著較佳地?fù)屨寄茈A上他們較喜歡的等級，其系與外部磁場相關(guān)之相同自旋方向。如果能階分裂程度夠大的話，傳導(dǎo)電子會互相且與外部場域處于相同方位，在從半磁性連接進(jìn)入非磁性半導(dǎo)體之過渡發(fā)生時，該電子自旋的方向就能獲得確保，這也導(dǎo)致了非磁性半導(dǎo)體中傳導(dǎo)性之自旋信道之抑制。反之，若沒有自旋注入，在非磁性半導(dǎo)體之該電流就會以兩個自旋方位依相同比例攜行(同向和反向或自旋向上和自旋向下)，具有一自旋方向之電子現(xiàn)在就必須攜帶整個電流，然而，因為他們的數(shù)量沒有明顯增加，所以阻抗就會提升，一個正磁阻值就會產(chǎn)生。在非磁性半導(dǎo)體阻抗之提升欲達(dá)到100％可藉由在理想狀態(tài)下給予完全自旋極化傳導(dǎo)電子而達(dá)成。
阻抗之監(jiān)測改變是基于一機制，其基本上與GMR和TMR結(jié)構(gòu)中阻抗改變之機制不同。就GMR效應(yīng)和TMR效應(yīng)來說，該阻抗之改變是藉由該第二鐵磁連接之自旋極化作用所決定，阻抗之改變是由搶占自旋信道之減少所產(chǎn)生，該自旋信道是在根據(jù)本發(fā)明之組件之非磁性半導(dǎo)體中。然而，不用說也知道，上述所解釋之該電荷傳輸僅代表了一種模式呈現(xiàn)以闡明阻抗改變之監(jiān)測，其它模塊也可用來達(dá)到相同的目的，因此，該模塊不應(yīng)該被視為僅限制于本發(fā)明。最后，監(jiān)測到之阻抗改變是基于量子效應(yīng)，其僅能藉由清楚的模塊描述一個非常有限的范圍而已。
原則上，根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件也能用以傳輸孔洞。然而，在本案中，自旋會因為很強的交互作用而很快地去極化，以致于該觀察到之效應(yīng)就不像本案藉由電子之電荷傳輸所宣稱的一般。
如果根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件之阻抗改變至少是在組件之總阻抗強度次序之內(nèi)，則該磁阻半導(dǎo)體組件在特定的應(yīng)用方面便能取代GMR或TMR結(jié)構(gòu)。鑒于對GMR和TMR來說都需要兩個鐵磁連接，根據(jù)本發(fā)明之磁阻半導(dǎo)體組件僅僅需要一個用半磁性物質(zhì)制成的連接，該物質(zhì)之自旋在無外部磁場作用下是非極化的，第二連接之物質(zhì)初始并沒受限于特殊限制下，所需要的就是該載荷子可以從非磁性半導(dǎo)體經(jīng)由該第二連接再度流出。
自旋極化作用之程度不僅僅是由外部磁化所決定，也會隨著連接之寬度增加而增加，該連接系由順著電荷流方向之半磁性物質(zhì)所制成。電子之自旋極化作用，也就是說其過渡進(jìn)入較低之Zeeman能階，會受到自旋散射之影響。為了達(dá)到一有效率之自旋極化作用，半磁性物質(zhì)層之厚度必須因此是該自旋散射長度之倍數(shù)。該自旋散射長度是根據(jù)所使用之物質(zhì)，含錳半導(dǎo)體具有一高度自旋散射，其會產(chǎn)生幾個奈米的反轉(zhuǎn)長度，至于例如具有低度自旋散射之InSb，則反轉(zhuǎn)長度會明顯地大很多，因此也需要明顯地大很多的層厚度。半磁性連接之層厚度范圍在3奈米之內(nèi)，通常會觀察到近似無自旋極化作用，因此在外部磁場內(nèi)之根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件，差不多沒有阻抗之改變。根據(jù)所使用之物質(zhì)，合適的第一連接之層厚度較佳是從10至1000奈米之間，較佳是50至300奈米之間。
根據(jù)本發(fā)明之磁阻半導(dǎo)體組件之結(jié)構(gòu)能在廣大的范圍內(nèi)作變化，其提供了多樣化的應(yīng)用方式。
根據(jù)一實施例，一穿隧阻障配置于該使用半磁性物質(zhì)之第一連接與非磁性半導(dǎo)體層之間，穿隧阻障之層厚度通常在3至7奈米之間，該穿隧阻障不是包含類似AlAs或GaAs之半導(dǎo)體，就是例如氧化鋁、氧化錳、氧化鈦、氧化硅這類的氧化物，舉例來說，氮化硅制成之層也適用，本案中，使用已知來自共振穿隧二極管之半導(dǎo)體穿隧阻障之慣例物質(zhì)也是可行的。自旋注入至非磁性半導(dǎo)體之效率可藉由穿隧阻障所提升，當(dāng)使用一穿隧阻障時，于半磁性連接提供相同之自旋極化作用，該在非磁性半導(dǎo)體之自旋極化作用就能增加。
如同上述已經(jīng)解釋過的，對于在一外部磁場作用下之阻抗改變，其已足夠滿足由半磁性物質(zhì)組成之第一連接，本案必然地僅從非磁性半導(dǎo)體抽出之載荷子是經(jīng)由該第二連接所作用，因此，第二連接實質(zhì)上并無受限于任何特殊限制。然而，透過對第二連接選擇一合適的材質(zhì)，對于發(fā)展特定應(yīng)用之組件以及修改在外部磁場之該監(jiān)測之阻抗變化也是可行的。
根據(jù)一實施例，該第二連接是由非磁性物質(zhì)所組成，所有非磁性半導(dǎo)體及金屬都可以使用，合適的金屬有鋁、鉻、鈦、鉑、鎳、金/鍺混合物。該連接較佳是由金屬以一可產(chǎn)生低連接阻抗之線性I/V特性曲線所制成，在外部磁場中阻抗之改變接著就會僅藉由特別是電子之載荷子注入至半導(dǎo)體之極化作用所引起。
然而，第二連接最好也是由半磁性物質(zhì)所組成。本案中，第二連接也可以使用跟第一連接一樣的材質(zhì)所構(gòu)成，但也可以使用不同的半磁性物質(zhì)。在根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件中之電荷傳輸，會由于該半導(dǎo)體組件之小范圍而發(fā)生于擴散區(qū)域中，因此，自旋極化作用并不會根據(jù)電流方向。雖然該電子會在一特定方向上平均地移動，一個統(tǒng)計上的移動還是會疊置在此移動上。該電子因此會在所有可能的方向上移動并且在過程中散射出去，因此，如果一半磁性連接同樣地當(dāng)作第二連接，就跟用兩個串聯(lián)裝置一樣，其系由一半磁性物質(zhì)制成之第一連接、一非磁性物質(zhì)及一非磁性物質(zhì)制成之第二連接所組成，也就是說相當(dāng)于上述所描述之實施例。本案中，總阻抗R將由2XR(半磁性連接)+2XR(非磁性半導(dǎo)體)+2XR(非磁性連接)所組成，本案中該第二連接系以半磁性連接方式實施，于是總阻抗R就減少為2XR(半磁性連接)+2XR(非磁性半導(dǎo)體)，同時所欲達(dá)成在外部磁場之阻抗變化ΔR還是維持不變。最終，ΔR/R增加，亦即半導(dǎo)體組件之敏感度提升。
根據(jù)一較佳實施例，一穿隧阻障同樣配置在非磁性半導(dǎo)體及第二半磁性連接之間，本案中，該穿隧阻障可用相同于上述材質(zhì)所制成。
根據(jù)磁阻半導(dǎo)體組件之一特殊實施例，該第二連接是由一鐵磁物質(zhì)所組成，同樣地在本案也可獲得一具有正磁阻之半導(dǎo)體組件，然而，該特性曲線在到達(dá)鐵磁之高壓場域強度之前都是非對稱性的。同樣地該鐵磁連接也注入自旋極化電子，然而，在超過高壓場域之前，該電子總是只有一個優(yōu)先方向，而其并不與外部磁場之方為相關(guān)。如果第一和第二連接具有一空間小于自旋反轉(zhuǎn)長度，則該鐵磁連接會影響由該半磁性連接之自旋注入。因此制造一對極化敏感之磁場感應(yīng)器是可行的，舉例來說，其系藉由兩半導(dǎo)體組件之相互連接所達(dá)成，其鐵磁連接之極化相對于另一個剛好是旋轉(zhuǎn)180度。還有很多可想到的應(yīng)用，其不僅僅是應(yīng)用于測量強度，亦可應(yīng)用在測量磁場之方向，舉例來說，此類半導(dǎo)體組件之一個可能應(yīng)用是在一用以測量汽車控制器之鎖之角度的感應(yīng)器上。
在由一鐵磁物質(zhì)所制成之第二連接之實施例中，穿隧阻障在每個例子中都可以配置于第一連接和非磁性半導(dǎo)體之間，以及非磁性半導(dǎo)體和鐵磁第二連接之間。
根據(jù)本發(fā)明之磁阻半導(dǎo)體組件能用在多樣化之應(yīng)用上，舉例來說，一個在信息儲存上或邏輯電路之應(yīng)用都是可行的，根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件同樣也能使用在感應(yīng)器中。
因此，本發(fā)明也有關(guān)于一儲存組件，其系包含上述之磁阻半導(dǎo)體組件，也有配置鄰接于該組件之一鐵磁組件。本案中，該配置是可選擇的，以便該半磁性連接能處于鐵磁組件之漏損場域之中。根據(jù)鐵磁組件之磁化旋轉(zhuǎn)90度，磁阻半導(dǎo)體組件之阻抗會減小，因為該半磁性連接接著不再處于鐵磁組件之漏損場域之中。舉例來說，高阻抗和低阻抗之兩個狀態(tài)可分配為狀態(tài)0和狀態(tài)1，與已知的MRAMS相比，僅有磁化受到旋轉(zhuǎn)而已，其比180度折疊磁化要簡單的多，電子部分則僅由半導(dǎo)體物質(zhì)構(gòu)成，且因此在一簡單程度上即可整合至為電子電路中。隨著矩陣中之配置，元素可由其它組件去耦合，例如藉由蕭基特二極管(Schottky diodes)。
根據(jù)本發(fā)明之磁阻半導(dǎo)體組件也能被裝配成一場效晶體管(field-effect transistor)，場域作用晶體管包含一源極、一汲極及一閘電極，其中提供至少由半磁性物質(zhì)組成之一第一連接，其系藉由其自旋極化載荷子被注入進(jìn)源極及/或汲極或從其抽出。在相同結(jié)構(gòu)大小下，組件的復(fù)雜度便會增加，因此，舉例來說，上述之內(nèi)存組件能被直接整合至一場域作用晶體管。在本案，從源極至汲極之電荷傳輸僅會受到一種載荷子之作用，在由閘電極產(chǎn)生的場域影響下，在源極和汲極之間，半導(dǎo)體內(nèi)便會形成一傳導(dǎo)信道，在該信道中電荷傳輸乃受到電子的影響。
根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件也能整合至雙載子晶體管(bipolartransistor)中，雙載子晶體管包含一如射極功用之部分、如控制器功用之部分、如基極之部分以及配置于前述部分之間之后置部分，其中至少提供一第一連接，其系藉由其自旋極化載荷子注入至射極及/或至控制器抽出。
雙載子晶體管較佳的是安裝成一npn晶體管，載荷子之自旋極化作用(較佳是電子)會在第一連接作用，該第一連接較佳是由半磁性物質(zhì)構(gòu)成，從射極至控制器之電流，該電流是用來監(jiān)測磁阻效應(yīng)，僅會由一種載荷子所引起，較佳是電子。
此外，磁阻半導(dǎo)體組件可用作為磁場感應(yīng)器。本案中，較佳實施例是使用在讀取頭上，其系用以讀出儲存在磁性儲存媒介之信息，類似此種磁性儲存媒介可以是例如硬盤。本案中，此類感應(yīng)器包含上述之磁阻半導(dǎo)體組件，一電子供應(yīng)器及由第二連接至第一連接之輸出導(dǎo)線，以及一測量裝置用以測量阻抗改變，其系與供應(yīng)器及輸出導(dǎo)線連接。
在一外部磁場作用下，根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件呈現(xiàn)出其阻抗之改變，也因此能如上述般之使用于偵測磁場之感應(yīng)器。因此，本發(fā)明也與用以測量磁場強度之方法有關(guān)，其中該磁場作用于一感應(yīng)器，其載荷子在第一連接是自旋極化，而該自旋極化載荷子會被注入至一非磁性半導(dǎo)體，接著該載荷子會從非磁性半導(dǎo)體抽出至第二連接，該與初始狀態(tài)相關(guān)之阻抗改變便可測量到。
所謂的初始狀態(tài)是在一合適的方法下，以無磁場作用之感應(yīng)器之阻抗所形成。
為了能測量阻抗之改變，在半導(dǎo)體內(nèi)之電荷傳輸便僅允許被一種載荷子所作用，這表示說要不是電子就是孔洞。如果載荷子之改變發(fā)生在非磁性半導(dǎo)體內(nèi)之電荷傳輸?shù)脑?，這會導(dǎo)致一個非常大之電壓下降，也因此阻抗就會大大提升，要是這樣那阻抗的變化就無法觀測到了。類似載荷子的改變會發(fā)生在，舉例來說，二極管之p-n接合點上，因此二極管之配置并無法用在根據(jù)本發(fā)明之方法上。
由于很短的自旋生命期，執(zhí)行本案上述藉由孔洞之電荷傳輸之方法，以技術(shù)觀點來看，相較下會比較難以實現(xiàn)。電子之自旋狀態(tài)就顯著地具有較長之生命期，也因為這個原因，使用電子作為載荷子就成為本方法之較佳實施方式。
此外，一個用以決定自旋方位(例如于一量子點)之應(yīng)用方式，其系藉由投射該自旋至該半導(dǎo)體之量化方向亦是可行的，該量子點在本案中代表第二連接，后者是置于與該第一連接距離小于自旋反轉(zhuǎn)長度。該自旋方位是由一外部磁場(舉例來說是一鐵磁)所定義之半磁性連接，決定了該量子點之自旋投射至其該非磁性半導(dǎo)體之自旋方位，本應(yīng)用方式在與量子計算相關(guān)方面會特別有利。
本發(fā)明將配合相關(guān)圖標(biāo)說明作更多細(xì)節(jié)之解釋，其中第一圖所示為根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件之一線性配置。
第二圖所示為連接之間以水平電流方向之配置。
第三圖所示為一圖標(biāo)，其系將根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件之阻抗改變繪制為該磁場強度之函式。
第四圖所示為一圖標(biāo)，其系將阻抗改變繪制為該磁場強度之函式，該磁場強度系為一高度n-嵌入Zn0.89Be0.05Mn0.06Se之一個體層。
第五圖所示為連接之間以水平電流方向之配置。
第六圖所示為連接之間以混合電流方向之配置。
第七圖所示為連接之間以混合電流方向之配置。
第八圖所示為一內(nèi)存組件之一測視圖(a)及一平面圖(b)。
第九圖所示為一場域晶體管之剖面圖，其系包含一根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件。
第十圖所示為一雙載子晶體管之剖面圖，其系包含一根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件。
第十一圖所示為一讀取頭之縱剖面圖，其系包含一根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件。
第十二圖所示為一根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件。
第十三圖所示為一根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件，其系藉由一pn二極管從鄰接半導(dǎo)體組件去耦合。
第十四圖所示為一矩陣配置，其中根據(jù)本發(fā)明之磁阻半導(dǎo)體組件系藉由二極管去耦合。
第十五圖所示為一矩陣配置，其中根據(jù)本發(fā)明之磁阻半導(dǎo)體組件系藉由晶體管去耦合。
第一圖所示為一根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件之線性配置，其中該個體層以一三明治方式一個鄰接另一個配置。經(jīng)由一第一連接1，電子被注入之一非磁性半導(dǎo)體2，通過后者并再度于第二連接3被抽出，在該第一連接1和第二連接2之間會存在一電位4。于非磁性半導(dǎo)體2，該電子會以兩個不同自旋方向傳輸，分別稱作自旋向上(5，同向)以及自旋向下(6，反向)，這表示說該電荷在兩個自旋信道傳輸。在沒有外部磁場作用下，該電子是以相同比例在兩個自旋信道5、6內(nèi)傳輸，如果一外部場域7作用在該半導(dǎo)體組件上，該電子之Zeeman項之能階分裂就會作用于第一連接1，且該電子較佳地會搶占能階上較有利的狀態(tài)(5，同向)，同時能階上較不利狀態(tài)(6，反向)之搶占就會減低，該電子穿過進(jìn)入該非磁性半導(dǎo)體2就因此自旋極化，后者會透過非磁性半導(dǎo)體散射出去，但在這過程中他們還是在自旋反轉(zhuǎn)長度內(nèi)維持其極化。因此，僅有一自旋信道會用以電荷傳輸，因此該組件之阻抗即會增加。
為了能觀察到在磁場中該半導(dǎo)體之阻抗改變，并沒有必要將第一連接1、非磁性半導(dǎo)體2及第二連接3以三明治方式而一個鄰接另一個作線性的配置，一個對根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件實用的實行方式來說，較適合的配置方式示于第二圖中。在本案中，該第一連接1及該第二連接3配置在該磁性半導(dǎo)體2層，在該第一連接1和第二連接2之間也再度存在一電位4。該非磁性半導(dǎo)體2配置于絕緣基質(zhì)8，選擇此種配置也是為了實行上述之實驗，為了該連接1、3之電子連接，金屬或類金屬制成之連接點1a、3a會分別地配置在連接1、3上。
為了下述之實驗，第二圖之配置會以此種方式制造，其系一具有500奈米厚度之n-嵌入(1019cm-3)Zn0.97Be0.03Se半導(dǎo)體3層，如同非磁性半導(dǎo)體2層沉積在一絕緣GaAs基質(zhì)8上。該n-形式嵌入在本案中是以碘執(zhí)行，非磁性半導(dǎo)體2層則是以分子束生長方式(molecularbeamepitaxy)沉積。為了組裝該連接1、3，一由Zn0.89Be0.05Mn0.06Fe(n＝5×1018cm-3)制成之半磁性層會沉積在非磁性半導(dǎo)體2層，該層傳導(dǎo)度系藉由碘之嵌入來設(shè)定。
一個鋁層以厚度100奈米沉積在該半磁性層，而連接點(200微米×250微米)會以微影技術(shù)印在該鋁層上，其系為了制造一連接以連接至該半磁性連接1、3，該以微影技術(shù)定義之連接點接著用來當(dāng)作在濕式化學(xué)蝕刻制成上之蝕刻屏蔽，在該期間半磁性半導(dǎo)體及約10奈米厚之非磁性半導(dǎo)體2會從未屏蔽部分移除，在第二光學(xué)微影步驟，會定義一抬高區(qū)(臺地)，其系包圍兩半磁性連接1、3及配置于該連接1、3之間之半導(dǎo)體2層。包圍此區(qū)域之未屏蔽Zn0.97Be0.03Se接著會藉由濕式化學(xué)蝕刻移除，便會獲得如第二圖所示之配置結(jié)果。
具有不同層厚度之半導(dǎo)體組件連接1、3及具有不同間隔距離之連接1、3會根據(jù)上述描述之方法組合在一起。
不同半導(dǎo)體組件之磁阻改變是在4.2K、磁場強度0至7T下以直流電壓100微伏測量。本案中，資料僅在阻抗改變之線性區(qū)域內(nèi)測量，所有Zn0.89Be0.05Mn0.06Se/Zn0.97Be0.03Se混合結(jié)構(gòu)皆展現(xiàn)一強正磁阻改變，磁阻改變之示范曲線示于第三圖(曲線(a)和曲線(b))。所觀察到最大之磁阻將近1.4歐姆，其給予配置之總磁阻在20.5歐姆。如果該連接阻抗去掉2歐姆，對相關(guān)阻抗改變之預(yù)測可得到ΔR/R＝8％之較低限制。在磁場強度1至2特斯拉(tesla)之間時，阻抗會達(dá)到一飽和限制，所觀測之阻抗改變與磁場中半導(dǎo)體組件之方位是不相依的。如果第一和第二連接1、3之層厚度從200奈米(第三圖、曲線(a))縮減到100奈米(第三圖、曲線(b))，阻抗改變會藉由因子3而減小，一用以比較半之導(dǎo)體組件，其中該連接包含一非磁性半導(dǎo)體，呈現(xiàn)了在磁場中之無阻抗改變，其測量精確度在0.2％之內(nèi)(第三圖、曲線(G))。
從第二圖所配置之層，其具有一高度n形式嵌入，以確保該連接1、3之內(nèi)部磁阻改變是負(fù)的。隨著低度嵌入(但還是在過渡至絕緣之上)，半導(dǎo)體連接1、3具有一額外的正磁阻改變，其系由于該傳導(dǎo)度之e-e校正，這影響會隨著增加嵌入n而減少，其系依據(jù)(KF1)-3/2，其中KF是費米能量(Fermi energy)之波動向量，而1是電子之平均自由路徑長度。該僅由半磁性物質(zhì)所構(gòu)成之樣本之小、負(fù)的磁阻改變(2％)示于第四圖中。
此外，阻抗改變之程度系由該連接1、3之間距離之函式所決定，其連接之層厚度定于100奈米。該實驗呈現(xiàn)出隨著距離之增加，正磁阻改變之絕對值會從0.48歐姆(10微米)經(jīng)0.4歐姆(20微米)減少至0.35歐姆(30微米)。
該磁阻半導(dǎo)體組件個體層之配置能在一廣泛的限制下更改修正。
第五圖所示為一更適合之結(jié)構(gòu)。然而，本案中，非磁性半導(dǎo)體2系被植入進(jìn)一半導(dǎo)體基質(zhì)8，非磁性半導(dǎo)體2之傳導(dǎo)區(qū)域系由離子植入所定義，此方法系由已知之平面硅技術(shù)而來。傳導(dǎo)度能藉由嵌入之程度所設(shè)定，在該非磁性半導(dǎo)體2之n形式嵌入的案例中，該半導(dǎo)體基質(zhì)8可為p-嵌入，因此，有關(guān)相鄰組件之去耦合之達(dá)成便成為可行，因為在該案例中該p-n接合點之一會永遠(yuǎn)封鎖。既然第一連接1和第二連接3可同時地適用于該非磁性半導(dǎo)體2層，僅需要一生長步驟以組合該兩個連接1、3，該連接1、3之電子連接再一次系由連接點1a、3a作用，其系由金屬或類金屬所制成。
第六圖所示為一更進(jìn)一步之實施例，本案中，非磁性半導(dǎo)體2系配置于一半導(dǎo)體基質(zhì)8之上，而該半磁性第一連接1則形成該非磁性半導(dǎo)體2上之一層，同樣地也包含一半磁性半導(dǎo)體否則就是一非磁性物質(zhì)之第二連接3，也直接配置于該半導(dǎo)體基質(zhì)8上，該半導(dǎo)體基質(zhì)8也能直接地運作如根據(jù)本發(fā)明之第二連接。該連接1、3之電子連接再一次系由連接點1a、3a作用，其系由金屬或類金屬所制成，于此例中電荷之傳輸系透過半導(dǎo)體基質(zhì)8作用，所示之半導(dǎo)體組件組合系根據(jù)已知的方法，以下為較適合之方式，舉例來說分子束生長方式(molecular beam epitaxy)、低壓蒸汽相生長方式(low-pressurevapour phase epitaxy)、大氣壓蒸汽相生長方式(atmosphericvapour pha seepitaxy)要不然就是UHV蒸汽相生長方式(UHV vapourphase epitaxy)。
第七圖所示為一僅需非常小空間之實施例，此例中，一第二連接3，其系包含一半磁性物質(zhì)或一非磁性物質(zhì)，配置在半導(dǎo)體基質(zhì)8之上，半導(dǎo)體基質(zhì)8也能直接于該第二連接3上形成。配置在該第二連接3上系為一由非磁性半導(dǎo)體2制成之一層，其上更配置一由半磁性半導(dǎo)體制成之層，該半磁性半導(dǎo)體形成該第一連接1。此例中，電荷傳輸有部分也透過半導(dǎo)體基質(zhì)8所作用，電子連接則經(jīng)由于第一連接1上之連接點1a以及在半導(dǎo)體基質(zhì)8上之連接點8a所作用，該連接點1a、8a系由金屬或類金屬所制成。
第八圖所示為一種能用以內(nèi)存組件之配置。一個形成根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件之非磁性半導(dǎo)體2之n-嵌入?yún)^(qū)域，其系被植入一基質(zhì)8，舉例來說為一p-嵌入硅基質(zhì)，于非磁性半導(dǎo)體2上，有一個鄰接另一個配置方式之第一半磁性連接1，其系由Zn0.89Be0.05Mn0.06Se構(gòu)成(舉例來說)，以及一第二連接3，其系由非磁性物質(zhì)構(gòu)成，舉例來說為鋁，或同樣地也是由半磁性物質(zhì)構(gòu)成，舉例來說為Zn0.89Be0.05Mn0.06Se，一鐵磁組件9，其系由鈷構(gòu)成(舉例來說)，其配置鄰接于該第一半磁性連接1，該鐵磁組件9之磁化方向可改變。此例中，第一連接1及鐵磁組件9也配置地如此接近以致于該第一連接1座落于鐵磁組件9之漏損場域中，半磁性第一連接和鐵磁組件9之距離最適合地選擇是在50至100奈米的范圍之間。
內(nèi)存組件之函式示于第8b圖，在高阻抗之狀態(tài)下，該第一連接1處于該鐵磁組件9之磁化10之漏損場域中，在此狀態(tài)下，自旋極化電子會從該第一連接注入進(jìn)非磁性半導(dǎo)體2，以便僅有一自旋信道能被用來做電荷傳輸，此裝置因此呈現(xiàn)一增加之阻抗。如果該鐵磁組件9之磁化10旋轉(zhuǎn)90度(磁化11)，則該第一連接1就不再處于該鐵磁組件9之漏損場域中，而從該第一連接注入之電子也不再自旋極化，也因此于非磁性半導(dǎo)體2中之兩個自旋頻道都能用以電荷傳輸，結(jié)果，半導(dǎo)體組件之阻抗就會降低。
第九圖所示為一用以場域晶體管之可能配置，一作用如源極之第一n-嵌入?yún)^(qū)域14，及一作用如汲極之第二n-嵌入?yún)^(qū)域15，系于一p-嵌入硅基質(zhì)8中所定義，一閘電極12配置于該源極和汲極之間，該閘電極藉由一閘電介質(zhì)13與該基質(zhì)8絕緣，一由半磁性物質(zhì)制成之第一連接配置于該作用如源極之n-嵌入?yún)^(qū)域14上，該連接可由Zn0.89Be0.05Mn0.06Se構(gòu)成(舉例來說)，一作用如連接點之金屬層16配置于該第一連接上，其金屬層可由鋁組成(舉例來說)，而該金屬層電子系提供給該第一連接1，一金屬層17同樣地也配置在該該作用如汲極之n-嵌入?yún)^(qū)域15上，其金屬層也同樣地舉例來說可以鋁制成。根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件首先由該第一半磁性連接1以及作用如非磁性半導(dǎo)體之該n-嵌入?yún)^(qū)域14所形成，在場域自由狀態(tài)下，亦即如果閘電極無電壓存在的狀態(tài)下，無電流會從源極流往汲極，因此，在非磁性半導(dǎo)體，亦即在n-嵌入?yún)^(qū)域14中，阻抗之改變即使在一外部磁場之作用下也無法發(fā)生。如果一電壓施于該閘電極12上，電子會聚積在閘電極12之場域中，且一傳導(dǎo)信道18將于p-嵌入基質(zhì)8中形成，其中該電荷傳輸系由電子完成。該傳導(dǎo)信道18接著形成根據(jù)本發(fā)明之該第二連接，其中該連接之該載荷子系由該非磁性半導(dǎo)體抽出，或介于該連接點16和17之間之該載荷子傳輸系由電子作用。
第九圖所示之實施例中，根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件系于源極14形成，然而，在汲極15形成根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件亦是可行的，同樣地，在源極和汲極都形成成根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件也是有可能的，同樣地，F(xiàn)ET之結(jié)構(gòu)并不局限于第九圖所示之實施例。
第十圖所示為雙載子晶體管之部分組成為根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件，所示為一npn晶體管。該晶體管包含一由半磁性物質(zhì)構(gòu)成之第一連接1，舉例來說為ZnBeMnSe，該第一連接鄰接一非磁性半導(dǎo)體2層，該層配置于一作用如晶體管之射極19之n-嵌入?yún)^(qū)域上，在射極19之下是該晶體管之一薄p-嵌入基極20，其系鄰接于該n-嵌入集極21。連接于半磁性第一連接1、基極20及集極21之歐姆于分別系由金屬連接點16和金屬連接點1a和20a所產(chǎn)生。如果一有關(guān)于射極19之正電壓存在于基極20，其于基極20區(qū)域之電流會由電子攜帶，該電子系從該射極19擴散至該集極21。
然而，對于該射極19直接形成根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件之非磁性半導(dǎo)體亦是可行的，該從半磁性連接注入至該射極，接著經(jīng)過基極20擴散至集極21之自旋極化電子，該電子也能從射極19流至基極20之連接，基極電流自身并不用以作阻抗之測量。
根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件也能隨后配置在集極或共同地組成該集極。
第十一圖以圖表展示一讀取頭之構(gòu)成，其系包含根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件。經(jīng)由一金屬層22，其可由鋁制成(舉例來說)，電子會提供給一第一連接1，其系由Zn0.89Be0.05Mn0.06Se構(gòu)成(舉例來說)，該第一連接1鄰接于一非磁性半導(dǎo)體2層，該層可由n-嵌入硅構(gòu)成(舉例來說)，在金屬層22及非磁性半導(dǎo)體2層之間提供一絕緣層23，舉例來說可由SiO-2構(gòu)成，該非磁性半導(dǎo)體2層鄰接于一作用如第二連接3之層，且舉例來說可由鋁構(gòu)成。一包含不同極化胞元25之磁性儲存媒介24，配置在距該讀取頭一短距離之位置，該磁性儲存媒介舉例來說可為一硬盤，該由半磁性物質(zhì)構(gòu)成之第一連接1被該胞元25之磁場所包圍，以致于該電子之自旋極化作用經(jīng)由該第一連接進(jìn)入非磁性半導(dǎo)體2且能被引發(fā)。為了讀出該儲存于磁性儲存媒介24之?dāng)?shù)據(jù)，后者移會移動穿過該讀取頭，該作用于該第一連接之半磁性物質(zhì)之外部磁場會因該個體胞元25之極化作用而改變。結(jié)果就是注入該非磁性半導(dǎo)體2層之該電子自旋極化程度會有所改變，也因此該半導(dǎo)體組件之阻抗也會改變。結(jié)果，流經(jīng)非磁性半導(dǎo)體2層之電流強度也會改變，此改變可由測量裝置(未示于圖中)所測量，該測量裝置系經(jīng)由金屬層22連接在該第一裝置，且經(jīng)由該作用如第二連接之層3與讀取頭連接，因此該儲存于儲存媒介24之信息就能被讀出。
第十二圖所示為一能互相去耦合之配置，其于一基質(zhì)上配置復(fù)數(shù)個根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件。一n-嵌入半導(dǎo)體區(qū)域26系被植入一p-嵌入基質(zhì)8，通常是一硅基質(zhì)，配置于該n-嵌入?yún)^(qū)域26之上的是一非磁性半導(dǎo)體2，于其上依次是涂覆一半磁性物質(zhì)層，該層作用如第一連接1。半磁性連接1經(jīng)由一金屬連接28以線性電流-電壓特性曲線作接觸連接(歐姆連接)。此外，配置于n-嵌入?yún)^(qū)域26之上的是一金屬連接27，其系以一蕭基特二極管于接口產(chǎn)生之方式而選擇，因此，一用以測量該阻抗之電流可以但一方向流過是可行的，以致于在矩陣中接觸連接復(fù)數(shù)個根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件亦是可行的，該矩陣系由具有字段列位之半導(dǎo)體內(nèi)存得知，而一半導(dǎo)體組件也能分別地藉由字段列位來尋址。
第十二圖僅展示一可能之實施例，因此舉例來說，該n-嵌入?yún)^(qū)域26也能直接形成該非磁性半導(dǎo)體2，該半磁性連接1接著直接地被配置在被植入之區(qū)域26上。此外，歐姆連接28與蕭基特連接27之交互替換也是可行的，其系藉以可能電流流通之方向改變。蕭基特二極管呈現(xiàn)了于前向中之一相對小之電壓下降，一磁阻作用也因此能于根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件組合中觀察到。該配置特別地適用于與內(nèi)存組件關(guān)連方面，其以于上述第八圖中描述，舉例來說。在根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件用于感應(yīng)器之案例中，較佳地是不用一二極管，因為二極管會引發(fā)敏感度之損失。
第十三圖所示為該根據(jù)本發(fā)明之半導(dǎo)體組件經(jīng)由一pn二極管之去耦合。此等配置適合應(yīng)用在阻抗測量之敏感度需求沒那么嚴(yán)厲之處，舉例來說應(yīng)用在MRAMs中，這特別是用在積體硅二極管之權(quán)宜之計，因為一高度整合之電子組件依此方法也是可行的，然而，原則上，其它半導(dǎo)體物質(zhì)也可用在二極管之組合上。第十三圖所示為一半導(dǎo)體基質(zhì)8，舉例來說一n-嵌入硅基質(zhì)，一p-嵌入?yún)^(qū)域30以一良好之方法并入該半導(dǎo)體基質(zhì)8，其區(qū)域依次包圍一n-嵌入?yún)^(qū)域31，該區(qū)域30及區(qū)域31能舉例來說藉由離子植入該硅基質(zhì)嵌入，配置在n-嵌入?yún)^(qū)域31之上為一非磁性半導(dǎo)體2，自旋極化電子從在一磁場影響下之該半磁性第一連接1注入其中，電子性之連接至該半磁性第一連接且至該p-嵌入?yún)^(qū)域30分別地經(jīng)由金屬連接點32及33產(chǎn)生，通過該金屬連接點32之電子首先進(jìn)入該半磁性連接1，其在一外部磁場影響下發(fā)生自旋極化作用，該自旋極化電子接著被注入之該非磁性半導(dǎo)體2接著通過該n-嵌入?yún)^(qū)域31，一孔洞之重新組合系在該p-嵌入?yún)^(qū)域之邊界作用，其中該電荷傳輸系于p-嵌入?yún)^(qū)域30作用，最后，電子之抽出系于連接點33作用，以便完成該電子電路。以相反方向之電荷傳輸是不可能發(fā)生的，因為由區(qū)域30及區(qū)域31所構(gòu)成之二極管接著是反向偏置(reverse-biased)的，由該p-嵌入?yún)^(qū)域30及n-嵌入基質(zhì)8所形成之二極管會產(chǎn)生個體組件相互絕緣之效應(yīng)，因此，舉例來說，在矩陣中，一欄之組件會絕緣于鄰欄之組件。
第十四圖所示為在矩陣中電子組件之配置，每一電子組件包含根據(jù)本發(fā)明之磁阻半導(dǎo)體組件，及一用以將鄰接磁阻半導(dǎo)體組件之去耦合之二極管35。該矩陣是由字段線36及列位線37所構(gòu)成，每一由磁阻半導(dǎo)體組件34及一二極管35形成之電子組件38分別連接一字段線36及一列位線37上。
當(dāng)應(yīng)用在如第十二圖所示之配置時，金屬連接28便連接至一列位線37，且金屬連接27連接至一字段線36。在有關(guān)如第十三圖所示之配置中，連接點32連接至一列位線37，且連接點33連接至一字段線36。
如果目的是要決定磁阻半導(dǎo)體組件34’之阻抗的話，一測量電壓會施加在該列位線37及該字段線36上，以便該測量配置39能決定阻抗。在此例中，在所有可能的電流路徑中，僅二極管35’是前向偏置(forward-biased)的，盡管所有其它可能電流路徑在反方向上總是包含至少一二極管35。因此選擇地決定該阻抗或是在磁阻半導(dǎo)體組件34’中之阻抗改變是可行的。
第十五圖所示為一矩陣配置，其中該磁阻半導(dǎo)體組件34系藉由一晶體管40去耦合，此種矩陣能依第九圖及第十圖所示之配置來理解。
該矩陣又一次包含字段線36及列位線37，經(jīng)由該列位線37，可分別施加一測量電壓于一磁阻半導(dǎo)體上，該連接41對于所有晶體管40都是處于同一電位上，晶體管40能透過字段線36分別驅(qū)動，也就是說在開狀態(tài)和閉狀態(tài)之間切換。
如果自磁阻半導(dǎo)體組件34和晶體管40所形成之電子組件系依照第九圖所示之配置形成的話，配置在半磁性連接1之連接點16將連接至列位線37，而閘電極12會連接至字段線36。該由金屬層17形成之連接(汲極)在所有場域晶體管中皆有相同電位，對應(yīng)即在第十五圖中之連接41。
在第十圖所示之雙載子晶體管案例中，連接點1a連接至列位線37，而連接點20a(基極)連接至字段線36，同時該連接16(集極21)在所有電子組件中具有相同之電位。
為了能決定在第十五圖之矩陣中該磁阻半導(dǎo)體組件34’之阻抗，一測量電壓會施加在列位線37’和連接41’上，因此測量裝置39能決定該磁阻半導(dǎo)體組件34’之阻抗該。晶體管41’會經(jīng)由字段線36驅(qū)動，因此該晶體管41連接至字段線36’是激活的，因為在列位線37’會存在一測量電壓，一測量電路便只有在與晶體管40’相關(guān)在案例中產(chǎn)生，因此僅磁阻半導(dǎo)體組件34’之阻抗會選擇性地被決定。
根據(jù)本發(fā)明之磁阻半導(dǎo)體組件中之阻抗改變是基于一個新的效應(yīng)，其根本上就與習(xí)知之效應(yīng)不同，例如GMR、AMR或TMR。該磁阻半導(dǎo)體組件可被并入多樣性之組件，且在其結(jié)構(gòu)方面也能在一廣泛的限制下有所變化。
權(quán)利要求
1.磁阻半導(dǎo)體組件，包含一第一連接(1)，及一第二連接(3)，及一非磁性半導(dǎo)體層(2)，該層系配置于該第一連接(1)與該第二連接(3)之間，其中該第一連接(1)系由一半磁性物質(zhì)構(gòu)成。
2.如申請專利范圍第1項所述之磁阻半導(dǎo)體組件，其中該半磁性物質(zhì)為一半導(dǎo)體。
3.如申請專利范圍第1項或第2項所述之磁阻半導(dǎo)體組件，其中一穿隧阻障配置于該第一連接與該非磁性半導(dǎo)體層之間。
4.如申請專利范圍第1項、第2項或第3項所述之磁阻半導(dǎo)體組件，其中該第二連接(3)系由一非磁性物質(zhì)構(gòu)成。
5.如申請專利范圍第1項、第2項或第3項所述之磁阻半導(dǎo)體組件，其中該第二連接(3)系由一半磁性物質(zhì)構(gòu)成。
6.如申請專利范圍第5項所述之磁阻半導(dǎo)體組件，其中在一半磁性物質(zhì)之該第二連接(3)與該非磁性半導(dǎo)體層(2)之間提供一穿隧阻障。
7.如申請專利范圍第1項、第2項或第3項所述之磁阻半導(dǎo)體組件，其中該第二連接(3)系由一鐵磁性物質(zhì)構(gòu)成。
8.如申請專利范圍第7項所述之磁阻半導(dǎo)體組件，其中在一鐵磁性物質(zhì)之該第二連接(3)與該非磁性半導(dǎo)體層之間提供一穿隧阻障。
9.如申請專利范圍第1項至第8項其中之一所述之磁阻半導(dǎo)體組件，其中該半磁性物質(zhì)為一II-IV族半導(dǎo)體。
10.如申請專利范圍第9項所述之磁阻半導(dǎo)體組件，其中該II-IV族半導(dǎo)體為BexMnyZn1-x-ySe，其中0＜x＜1、0＜y＜1，且0.0001＜x+y＜0.2。
11.如前述申請專利范圍之一所述之磁阻半導(dǎo)體組件，其中提供一蕭基特二極管(Schottky diode)用以在該電流路徑中去耦合。
12.如前述申請專利范圍之一所述之磁阻半導(dǎo)體組件，其中提供一pn二極管用以在該電流路徑中去耦合。
13.儲存裝置，其包含如申請專利范圍第1項至第12項其中之一所述之一磁阻半導(dǎo)體組件，及配置鄰接于該第一連接(1)之一鐵磁組件(9)。
14.如申請專利范圍第13項所述之儲存裝置，其中提供一蕭基特二極管(Schottky diode)用以去耦合。
15.一場效晶體管，其具有一源極(14)，一汲極(15)，一閘電極(12)，其中至少一半磁性物質(zhì)制成第一連接(1)，藉此，自旋極化載荷子被注入該源極(14)及/或該汲極(15)，或從此抽出。
16.雙載子晶體管，其具有作用如射極(19)之部分，一作用如集極(21)之部分，一作用如基極(20)之區(qū)域，該區(qū)域配置于這些部分之間，其中提供至少一第一連接(1)，藉此，自旋極化載荷子被注入該射極(19)及/或從該集極(21)抽出。
17.磁性感應(yīng)器，特別是一讀取頭，其系用以讀取儲存于磁性儲存媒介之信息，其包含如申請專利范圍第1項至第10項其中之一所述之一磁阻半導(dǎo)體組件，相對于該第一及該第二連接(1，3)之電子供應(yīng)與輸出線路，以及一測量裝置連接至該供應(yīng)與輸出線路用以測量電子阻抗之改變。
18.一用以測量一磁場強度之方法，其中該磁場作用在一感應(yīng)器上，其中在一第一連接之載荷子乃自旋極化，該自旋極化載荷子被注入進(jìn)一非磁性半導(dǎo)體，且該載荷子會從該非磁性半導(dǎo)體抽出再進(jìn)入一第二連接，于是與一初始狀態(tài)有關(guān)之磁阻改變就可被測量。
19.如申請專利范圍第17項所述之方法，其中該初始狀態(tài)是藉由在無磁場作用下之感應(yīng)器之阻抗所形成。
20.如申請專利范圍第18項及第19項所述之方法，其特征在于該載荷子為電子。
全文摘要
本發(fā)明有關(guān)一磁阻半導(dǎo)體組件，其包含一第一連接(1)及一第二連接(3)，還有一非磁性半導(dǎo)體層(2)，該層配置于該第一連接與第二連接之間，其中該第一連接由一半磁性物質(zhì)構(gòu)成。用以作為半磁性物質(zhì)乃強順磁性物質(zhì)，其電子自旋在無一外部磁場作用下不具有優(yōu)先方位。在一外部磁場作用下，該電子在該第一連接(1)自旋極化，當(dāng)一電壓施加，此導(dǎo)致該自旋極化電子注入進(jìn)該非磁性半導(dǎo)體(2)。結(jié)果在非磁性半導(dǎo)體中，僅有一自旋信道能被用以傳輸該載荷子，以致于獲得一正磁阻效應(yīng)。
文檔編號H01L27/105GK1509413SQ02807074
公開日2004年6月30日 申請日期2002年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月20日
發(fā)明者L·莫倫坎普, G·施米特, L 莫倫坎普, 滋 申請人:因芬尼昂技術(shù)股份公司