專利名稱：基于自旋濾波器效應(yīng)的自旋晶體管和利用自旋晶體管的非易失存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型晶體管。更具體地說，本發(fā)明涉及一種具 有取決于載流子自旋方向的輸出特性的晶體管和利用所述種晶體管
的非易失存儲器電路(非易失存儲器)。
背景技術(shù)：
從工作速度和集成度的觀點(diǎn)看來，DRAM(動態(tài)隨機(jī)存取存儲器) 已主要用作以微電腦為代表的電子設(shè)備用的半導(dǎo)體存儲器。在 DRAM中，由于保持存儲器要消耗能量和斷電時(shí)所存儲的內(nèi)容丟失 的問題，難以滿足近年來節(jié)能和移動設(shè)備的要求。為了滿足這樣的 要求，重要的是一種除高速、高集成度和低功耗外，還具有非易失 特性的新型存儲器。
作為一種可以實(shí)現(xiàn)工作速度和集成度等于DRAM的并具有非易 失特性的下一代存儲器，注意力集中在MRAM(磁阻隨機(jī)存取存儲器) 上。MRAM按照鐵磁物質(zhì)的磁化方向存儲信息并通過自旋閥裝置的 巨磁阻效應(yīng)或；茲隧道結(jié)(MTJ)的隧道磁阻(TMR)效應(yīng)在電氣上按照其 磁化方向讀取信息。使用鐵磁物質(zhì)的MRAM可以在不消耗能量的情 況下以非易失方式保存信息。


圖17(A)和17(B)是表示利用MTJ的MRAM的典型單元結(jié)構(gòu)的簡 圖。如圖17(A)所示，在所述MRAM中， 一位存儲單元由一個(gè)MTJ和
一個(gè)MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管構(gòu)成。所述MOS晶體管的柵極 連接到讀出字線，其源極接地，其漏極連接到MTJ的一端，而MTJ的 另一端連接到位線。
如圖17(B)所示，MTJ具有隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，后者具有插入兩個(gè)鐵磁 電極之間的薄的絕緣膜，并且所述MTJ真有TMR效應(yīng)，其中隧道電 阻按照兩個(gè)鐵磁電極的相對磁4b方向而不同。具體地說，當(dāng)兩個(gè)鐵 磁電極具有平行的磁化時(shí)和當(dāng)它們具有反平行磁化時(shí)TMR的變化速 率稱為TMR比率，用以計(jì)算TMR的效應(yīng)。
MRAM采用以下方法來存儲信息利用由流入位線和與其正交的重寫字線(未示出)的電流感生的合成磁場，使MTJ的磁化狀態(tài)，也就是說，兩個(gè)鐵磁電極的相對磁化方向可以是平行磁化或是反平行磁化。
為了讀出存儲在指定單元的存儲信息，向連接所述單元的指定 讀出字線施加一個(gè)電壓，以便使MOS晶體管導(dǎo)通，讀出電流(以下稱 為"驅(qū)動電流")從連接所述單元的指定位線流到MTJ,而把基于TMR 效應(yīng)的MTJ的電壓降作為輸出電壓檢測出來，以便讀出所述存儲的信

發(fā)明內(nèi)容
利用MTJ的MRAM使用鐵磁物質(zhì)，以便具有非易失、低功耗和 高速的特性。所述單元的結(jié)構(gòu)已被簡化，以便適用于高密度集成。 MRAM預(yù)期作為下一代非易失存儲器。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要解決 以下問題。
(1 )MTJ具有與平行磁化和反平行磁化狀態(tài)對應(yīng)的二進(jìn)制電阻 值。MRAM使驅(qū)動電流流到MTJ，以便以輸出電壓的形式^:測所述 電阻值。為了獲得高的輸出電壓，必須調(diào)整MTJ絕緣膜的厚度以便 優(yōu)化所述隧道電阻。因?yàn)門MR比率:EF又決于所述絕緣膜的厚度，所以 隧道電阻的優(yōu)化受到限制。
(2) 為了精確地讀出存儲器的信息內(nèi)容，所述TMR比率必須大，以便增大平行磁化和反平行磁化兩個(gè)磁化狀態(tài)的輸出電壓比率。為了實(shí)現(xiàn)高的TMR比率，必須使用具有大的自旋偏振率的鐵磁物質(zhì)來 優(yōu)化形成方法、材料和絕緣層的膜厚。
(3) 在利用MTJ的MRAM中，施加在MTJ上的偏置必須大，以便 提高工作速度。MTJ在原理上具有不可避免的問題，當(dāng)鐵磁電極之間 引起的電壓降增大時(shí)，TMR比率降低。基于TMR的輸出電壓的改變 速率隨著在MTJ中引起的電壓降增大而降低。所述現(xiàn)象是TMR效應(yīng) 本身造成的。只要磁化狀態(tài)只根據(jù)TMR效應(yīng)讀出，這是難以避免的。
總結(jié)上述問題，為了在MTJ中以高的靈敏度檢測存儲信息，必 須調(diào)整MTJ的阻抗(結(jié)電阻)，以便優(yōu)化輸出電壓的振幅。另外，所述 TMR比率必須大，以便增大平4亍磁化和反平行磁化兩個(gè)磁化狀態(tài)輸 出信號的比率。為使TMR比率不會由于偏置而減少，TMR比率的偏置 電阻是必不可少的。
若輸出信號可以不管存儲裝置的特性而通過存儲裝置以外的外 圍電路自由設(shè)計(jì)，則上述所有問題都可以解決。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種非易失存儲器，它按照磁化狀態(tài) 把信息存儲在包括在晶體管中的鐵磁物質(zhì)中，并利用所述晶體管的 取決于載流子的自旋方向的輸出特性來讀取所述信息。
按照本發(fā)明的一個(gè)觀點(diǎn)，提供一種具有自旋注入器和自旋分析 器的晶體管，所述自旋注入器通過自旋濾波效應(yīng)來注入自旋偏振熱 載流子，而所述自旋分析器用以通過所述自旋濾波效應(yīng)選擇注入的 自旋偏振熱載流子?？梢愿鶕?jù)自旋偏振熱載流子的自旋方向來控制 所述晶體管的輸出特性。
自旋注入器最好具有第一鐵磁阻擋層；與第一個(gè)鐵磁阻擋層 一個(gè)端面結(jié)合的第 一非磁性電4及層；以及與第 一個(gè)鐵磁阻擋層另一 個(gè)端面結(jié)合的第二非磁性電極層。
自旋分析器最好具有第二鐵磁阻擋層；與第二鐵磁阻擋層一 個(gè)端面結(jié)合的所述第二非磁性電極層；以及與第二鐵磁阻擋層另一個(gè)端面結(jié)合的第三非磁性電極層，所述自旋分析器與所述自旋注入 器共享第二非磁性電極層。
第一和第二鐵磁阻擋層最好包括絕緣的鐵磁半導(dǎo)體或鐵磁絕緣 體，并且鐵磁阻擋層的能帶邊緣是通過自旋分裂由上自旋能帶和下 自旋能帶中的任何一種構(gòu)成的。第二非磁性電極層的厚度最好小于 第二非磁性電極層的自旋偏振熱載流子的平均自由程。
自旋注入器對于具有平行于構(gòu)成第一鐵磁阻擋層能帶邊緣的自 旋能帶的自旋的載流子，具有大的隧穿幾率，而對于具有與其反平 行的自旋的載流子，具有小的隧穿幾率?？梢园丫哂衅叫杏跇?gòu)成第 一鐵磁阻擋層能帶邊緣的自旋能帶的自旋的載流子作為熱載流子從 第一非磁性電極注入第二非磁性電極層。
當(dāng)注入第二非磁性電極的自旋偏振熱載流子的自旋方向平行于 第二鐵磁阻擋層能帶邊緣上的自旋能帶的自旋方向時(shí)，自旋分析器 通過在第二鐵磁阻擋層的能帶邊緣上的自旋分裂把自旋偏振熱載流 子導(dǎo)通到第三非磁性電極層，而當(dāng)所述自旋偏振熱載流子的自旋方 向與第二鐵磁阻擋層的能帶邊緣上的自旋能帶的自旋方向反平行時(shí)，不把自旋偏振熱載流子導(dǎo)通到第三鐵磁電極。
相同偏置下所述晶體管的輸出特性取決于第 一鐵磁阻擋層和第 二鐵磁阻擋層的相對磁化方向。當(dāng)?shù)谝昏F磁阻擋層和第二鐵磁阻擋 層具有平行磁化時(shí)，電流傳輸系數(shù)或電流放大系數(shù)高。當(dāng)它們具有 反平行磁化時(shí)，電流傳輸系數(shù)或電流放大系數(shù)低。
提供一種非易失存儲器電^各，按照第一鐵磁阻擋層和第二鐵磁阻 擋層的相對磁化方向存儲信息，并根據(jù)取決于所述磁化狀態(tài)的晶體 管輸出特性讀取信息。所述存儲器電路可以只用所述晶體管構(gòu)成存 儲單元。
按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種非易失存儲器電路，它具 有利用自旋晶體管按照鐵磁物質(zhì)的磁化方向存儲信息的裝置，所述自旋晶體管包括一種其輸出特性取決于載流子自旋方向的鐵磁物 質(zhì)；和根據(jù)輸出特性在電氣上讀取存儲在所述自旋晶體管中的信息 的裝置。
所述自旋晶體管最好具有能夠獨(dú)立地控制磁化方向的至少 一種 鐵磁物質(zhì)(以下稱為"自由層")和不改變磁化方向的至少 一種鐵磁物質(zhì)
(以下稱為"固定層(pin layer)"),并且作為存儲的信息保持其中自由層 的磁化方向與固定層的磁化方向相同的第一狀態(tài)和其中磁化方向不 同的第二狀態(tài)。
所述自旋晶體管最好具有注入自旋偏振載流子的第 一 電極結(jié) 構(gòu)；接收自旋偏振載流子的第二電極結(jié)構(gòu)；和控制從第一電極結(jié)構(gòu) 導(dǎo)通到第二電極結(jié)構(gòu)的自旋偏振載流子數(shù)量的第三電極結(jié)構(gòu)，而所 述固定層和自由層被包括在第一至第三電極結(jié)構(gòu)中的任何一個(gè)中。
提供一種存儲電路，它具有排列成矩陣的自旋晶體管、連接 到第三電極結(jié)構(gòu)的字線；使第一電極結(jié)構(gòu)接地的第一導(dǎo)線；和連接 到第二電極結(jié)構(gòu)的位線。多條字線沿著列方向延伸。多條位線沿著 與位線交叉的方向(行方向)延伸。自旋晶體管排列在字線和位線的交 叉點(diǎn)附近。
所述存儲器電路通過使電流流到所述自旋晶體管上處在電氣上 彼此絕緣狀態(tài)的交叉的另一個(gè)第一導(dǎo)線和另一個(gè)第二導(dǎo)線而感生的 磁場，使自由層的磁化倒轉(zhuǎn)，以便改變自由層和固定層的相對磁化 狀態(tài)，來存儲(或重寫)信息。
可以使用字線和位線或使用字線和位線中任何一個(gè)來代替另一 個(gè)第一導(dǎo)線和另一個(gè)第二導(dǎo)線，或另一個(gè)第一導(dǎo)線和另一個(gè)第二導(dǎo) 線中的任何一個(gè)。
所述存儲器電路可以根據(jù)被包括在所述自旋晶體管中的自由層 和固定層具有平行磁化時(shí)自旋晶體管的輸出特性來讀出信息。
提供存儲器電路，其中，在每一條位線的一端形成輸出端子并 且設(shè)置從每一條位線分支出來并通過負(fù)載連接到電源的第二導(dǎo)線。
在這種情況下，可以通過根據(jù)負(fù)載的電壓降獲得的輸出電壓來 讀出信息，所述負(fù)載的電壓降是由在所述自旋晶體管的第一和第二電極結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生的取決于所述自由層和所述固定層的相對磁化狀態(tài)的電流引起的。
利用上述電路可以提供一種高速高集成密度的非易失存儲器電 路，它可以通過負(fù)載和電源來設(shè)計(jì)與晶體管的磁化狀態(tài)相應(yīng)的輸出 電壓。
附圖的簡要說明
圖l(A)和l(B)是表示按照所述實(shí)施例的自旋濾波晶體管的結(jié)構(gòu)的 示意圖，其中圖1(A)是示意的剖面圖，而圖1(B)是圖1(A)所示結(jié)構(gòu)的 導(dǎo)帶(或價(jià)帶)的能帶示意圖，圖中示出阻擋層自旋能帶的自旋方向。
圖2(A)和2(B)是按照所述實(shí)施例在自旋濾波晶體管的發(fā)射極(第 一非磁性電極層)、基極(第二非磁性電極層)和集電極(第三非磁性電 極層)之間施加基極接地偏壓時(shí)的能帶的示意圖，其中圖2(A)表示第 一和第二鐵磁阻擋層的磁化方向彼此平行的情況，而圖2(B)表示第一 和第二鐵磁阻擋層的磁化方向彼此反平行的情況。
圖3(A)和3(B)是表示按照所述實(shí)施例的自旋濾波晶體管基極接地 時(shí)的靜態(tài)特性示意圖，其中水平軸以所述圖中的向右的方向向表示 集電極-基極電壓VCB,而以其向左的方向向表示發(fā)射極-基極電壓 VEB，而垂直軸表示發(fā)射極電流正、基極電流IB和集電極電流IC,其 中圖3(A)表示發(fā)射極和集電極的鐵磁阻擋層之間的磁化狀態(tài)是平行磁 化的情況的特性，而圖3(B)表示它是反平行磁化的情況的特性；
圖4(A)是表示利用按照所述實(shí)施例的自旋濾波晶體管1的存儲單 元結(jié)構(gòu)實(shí)例的示意圖，圖4(B)是表示存儲器電路的結(jié)構(gòu)實(shí)例的示意 圖，而圖4(C)是示意圖，其中垂直軸表示集電極電流IC，水平軸表示 集電極-發(fā)射極電壓VCE和自旋濾波晶體管1的IC-VCE特性，并且在 同一圖中還示出負(fù)載電阻的負(fù)載直線。
圖5 (A)是示意地表示電流驅(qū)動型自旋晶體管輸出特性實(shí)例的示 意圖，而圖5(B)是示意地表示電壓驅(qū)動型.自旋晶體管輸出特性實(shí)例的 示意圖6 (A)是表示利用按照所述實(shí)施例電壓驅(qū)動型自旋晶體管的存 儲單元結(jié)構(gòu)實(shí)例的示意圖，圖6(B)是表示存儲器電路結(jié)構(gòu)實(shí)例的示意 圖，而圖6(C)是其中垂直軸表示漏極電流ID,水平軸表示漏極-源極 電壓VDS的示意圖，并且同一圖中示出電壓驅(qū)動型自旋晶體管150的 ID -VDS特性和有源負(fù)載的負(fù)載曲線；
圖7是表示熱電子晶體管型自旋晶體管的結(jié)構(gòu)實(shí)例的能帶示意
圖8是表示利用熱分離注入(heat release injection)的熱電子晶體管 型自旋晶體管的結(jié)構(gòu)實(shí)例的示意圖9是表示利用自旋濾波器效應(yīng)的熱電子晶體管型自旋晶體管結(jié) 構(gòu)實(shí)例的能帶示意圖10是表示隧道基極晶體管型自旋晶體管的結(jié)構(gòu)實(shí)例的能帶示
意圖11是表示MOS晶體管型自旋晶體管結(jié)構(gòu)實(shí)例的剖面圖； 圖12是表示調(diào)制攙雜晶體管型自旋晶體管結(jié)構(gòu)實(shí)例的剖面圖； 圖13是表示具有鐵磁半導(dǎo)體溝道的MOS晶體管型自旋晶體管的
結(jié)構(gòu)實(shí)例剖面圖14是表示具有一種結(jié)構(gòu)的自旋晶體結(jié)構(gòu)實(shí)例的剖面圖，在所
述結(jié)構(gòu)中向設(shè)置在鐵磁源極和4失磁漏極之間的非磁性絕緣隧道勢壘
提供柵極絕緣膜和柵極；
圖15是表示具有 一 種結(jié)構(gòu)的自旋晶體管的結(jié)構(gòu)實(shí)例的剖面圖，
在所述結(jié)構(gòu)中向設(shè)置在鐵磁源極和鐵磁漏極或非磁性漏極之間的絕
緣鐵磁隧道勢壘提供柵極絕緣膜和柵極；
圖16(A)是表示具有共享源極結(jié)構(gòu)的存儲單元的結(jié)構(gòu)實(shí)例的示意
圖16(B)是表示具有共享源極結(jié)構(gòu)的存儲單元的剖面結(jié)構(gòu)實(shí)例的示意圖；以及
圖17(A)是表示利用MTJ的典型MRAM結(jié)構(gòu)的示意圖，而圖17(B) 是表示MTJ工作原理的示意圖。
本發(fā)明的最佳實(shí)施方式
按照本發(fā)明的晶體管具有自旋注入器，用于注入具有指定自 旋方向的自旋偏振熱載流子；和自旋分析器，用于按照自旋方向選 擇所述注入的自旋偏振熱載流子。自旋注入器具有第一鐵磁阻擋 層，它具有允許出現(xiàn)諸如Fowler-Nordheim隧道或直接隧道的隧道效 應(yīng)的厚度；與第 一鐵磁阻擋層 一個(gè)端面結(jié)合的第 一 非磁性電極層； 以及與第一鐵磁阻擋層的另一個(gè)端面結(jié)合的第二非磁性電極層。自 旋分析器具有第二鐵磁阻擋層；與第二鐵磁阻擋層一個(gè)端面結(jié)合 的第二非磁性電極層；以及與第二鐵磁阻擋層的另 一個(gè)端面結(jié)合的 第三非磁性電極層，并且自旋分析器與自旋注入器共享所述第二非 磁性電極層。第二非磁性電極層的厚度最好低于非磁性電極層自旋 偏振熱載流子的平均自由程。
上述結(jié)構(gòu)可與已知的熱電子晶體管相比較。第一非磁性電極層 和第一鐵磁阻擋層相當(dāng)于發(fā)射極和發(fā)射極阻擋層。第二非磁性電極 層對應(yīng)于基極。第二鐵磁阻擋層和非磁性電極層相當(dāng)于集電極阻擋 層和集電極。
第一和第二鐵磁阻擋層包;fe絕緣鐵磁半導(dǎo)體或鐵磁絕緣體。鐵 磁阻擋層的能帶是通過磁交換互作用而自旋分裂的。只有上自旋能 帶或只有下自旋能帶通過自旋分裂而存在于能帶邊緣。其中只有所 述各自旋能帶之一存在的能量寬度稱為自旋分裂寬度。
按照自旋注入器的自旋濾波效應(yīng)，在諸如Fowler-Nordheim(FN) 隧道或通過第一非-茲性電極層和第二非磁性電極層向第一鐵磁阻擋 層施加電壓而產(chǎn)生的直接隧道中，其自旋方向(當(dāng)載流子是電子時(shí)，
指與第一鐵磁阻擋層的磁化反平行的自旋方向，而當(dāng)載流子是空穴 時(shí)，指與第 一鐵磁阻擋層的磁化平行的自旋方向)與第 一 非磁性電極 層載流子第一鐵磁阻擋層能帶邊緣上的自旋能帶的自旋方向匹配的
載流子穿過隧道的幾率大；而其自旋方向(當(dāng)載流子是電子時(shí)，指與
第一鐵磁阻擋層的磁化平行的自旋方向,'而當(dāng)載流子是空穴時(shí)，指 與第 一鐵磁阻擋層的磁化反平4亍的自旋方向)與與第 一非磁性電極層 載流子第一鐵磁阻擋層能帶邊緣上的自旋能帶的自旋方向不匹配的 載流子穿過隧道的幾率小。
按照自旋分析器的自旋濾波效應(yīng)，在從自旋注入器把自旋偏振 熱載流子注入第二鐵磁阻擋層自旋分裂能帶的情況下，當(dāng)注入的自 旋偏振熱載流子的自旋方向平^f亍于第二鐵磁阻擋層能帶邊緣上的自 旋能帶的自旋方向(第一和第二鐵磁阻擋層具有平行磁化)時(shí)，所述自 旋偏振熱載流子通過第二鐵磁層的自旋能帶導(dǎo)通到第三非磁性電極 層，而當(dāng)所述自旋偏振熱載流子的自旋方向與第二鐵磁阻擋層(第一 和第二鐵磁阻擋層具有反平行磁化)的能帶邊緣上的自旋能帶的自旋
方向反平行時(shí)，所述自旋偏振熱載流子不能通過第二鐵磁阻擋層導(dǎo) 通。
按照上述結(jié)構(gòu)，第 一 非磁性電極層中其自旋方向平行于第 一 鐵 磁阻擋層能帶邊緣上自旋能帶的自旋方向的載流子，作為自旋偏振
熱載流子通過諸如Fowler-Nordheim隧道或直^:隧道等隧道效應(yīng)注入 第二非磁性電極層。此時(shí)，這樣偏置上述晶體管，使得注入自旋偏 振熱載流子的能量，大于第二4失磁阻擋層能帶邊緣處自旋能帶邊緣 上的能量，并小于自旋分裂寬度加到自旋能帶邊緣的能量。第二非 磁性電極層的厚度低于第二非^磁性電極層中自旋偏振熱載流子的平 均自由程。注入的自旋偏振熱載流子在不損失能量的情況下抵達(dá)第 二鐵磁阻擋層。這些自旋偏振熱載流子的能量，大于第二鐵磁阻擋 層能帶邊緣處自旋能帶邊緣上的能量，并小于所述自旋分裂寬度加 到自旋能帶邊緣上的能量。當(dāng)注入的自旋偏振熱載流子的自旋方向
平行于第二鐵磁阻擋層能帶邊緣上自旋能帶的自旋方向時(shí)，第二鐵 磁阻擋層中產(chǎn)生的電場引導(dǎo)自旋偏振熱載流子穿過自旋能帶，進(jìn)入 第三非磁性電極層，并變?yōu)轶嗜谴判噪姌O層和第一非磁性電極層 之間流動的電流。
當(dāng)注入的自旋偏振熱載流子的自旋方向反平行于第二鐵磁阻擋 層能帶邊緣上自旋能帶的自旋方向時(shí)，自旋偏振熱載流子在第二非 磁性電極層和第二鐵磁阻擋層的界面上被散射(或反向散射)，并變?yōu)?在第二非磁性電極層和第 一非/磁性電極層之間流動的電流。
根據(jù)第 一鐵磁阻擋層和第二鐵磁阻擋層的相對磁化方向是平行 還是反平行，在第 一鐵磁阻擋層中流動的電流可以切換到通過第二 鐵磁阻擋層在第三非磁性電極層和第一非磁性電極層之間流動的電 流，或者通過同一阻擋層在第二非磁性電極層和第一非磁性電極層 之間流動的電流。通過第二鐵-茲阻擋層流動的電流可以按照第 一鐵 磁阻擋層和第二鐵磁阻擋層的相對磁化方向控制。與基極接地或發(fā) 射極接地的已知熱電子晶體管和雙極性晶體管的工作相比，這對應(yīng) 于通過基極電流控制集電極電流。按照所述實(shí)施例的晶體管可以按 照第 一鐵磁阻擋層和第二鐵磁阻擋層的相對磁化方向，控制集電極 電流對基極電流的電流放大系數(shù)。按照f斤述實(shí)施例的晶體管可以控 制電流放大系數(shù)，并可以按照第 一鐵磁阻擋層和第二鐵磁阻擋層的 相對磁化方向以及基極電流(或第 一和第二非磁性電極之間的偏壓)控 制集電極電流的電流放大系數(shù)。
改變第 一鐵磁阻擋層和第二鐵磁阻擋層的矯頑力或固定所述各 磁化方向之一。施加具有適當(dāng)強(qiáng)度的磁場(在此磁場強(qiáng)度下第 一鐵磁 阻擋層和第二鐵磁阻擋層的磁化方向中的任何一個(gè)倒轉(zhuǎn))，以便任意 改變第 一鐵磁阻擋層和第二鐵磁阻擋層的相對磁化方向，使之平行 或反平行。換句話說，可以把信息存儲在所述晶體管中。
可以利用所述晶體管來構(gòu)成存儲單元?，F(xiàn)將描述利用按照所述 實(shí)施例的晶體管的非易失存儲器的實(shí)例。按照所述實(shí)施例的晶體管的第二非磁性電極層連接到字線。所述晶體管第三非磁性電極層連 接到位線。位線通過負(fù)載連接到電源，使所述晶體管的第一非磁性 電極層接地。按照所述結(jié)構(gòu)，通過向笫二非磁性電極層施加偏置來 選擇指定的字線。選擇指定的位線以便檢測輸出電壓(在第三非磁性 電極邊緣上產(chǎn)生的電壓)。所述輸出電壓按照所述晶體管第一鐵磁阻 擋層和第二鐵磁阻擋層的相對磁化方向改變，所述相對磁化方向是 平行時(shí)，輸出電壓小。相對磁化方向是反向平行時(shí)，輸出電壓較大。 可以根據(jù)輸出電壓的振幅讀出存儲的信息。
在上述非易失存儲器中，按照所述實(shí)施例的晶體管用作發(fā)射極 接地的晶體管，電源和負(fù)載加在集電極上，而集電極電壓是輸出電 壓。通過作為源極電壓和負(fù)載的外圍電路，可以把第一和第二鐵磁 阻擋層具有平行磁化時(shí)的輸出電壓以及它們具有反平行磁化時(shí)的輸 出電壓設(shè)計(jì)為所需值。利用上述非易失存儲器，通過施加偏壓可以解決利用MTJ的MRAM中隧道電阻小和輸出電壓小，TMR比率小和 存儲的信息難以識別，以及輸出電壓的比率較小的問題。
現(xiàn)將參照附圖詳細(xì)描述所述晶體管的結(jié)構(gòu)和操作。為了易于理 解以下描述，把按照所述實(shí)施例的晶體管稱為自旋濾波晶體管。
圖1 (A)和1 (B)是表示按照所述實(shí)施例的自旋濾波晶體管的結(jié)構(gòu)的 示意圖，其中圖1(A)是示意的剖面圖，而圖1(B)是圖1(A)中所示結(jié)構(gòu) 的導(dǎo)帶(或價(jià)帶)的能帶示意圖，圖中示出阻擋層自旋能帶的自旋方 向。當(dāng)載流子是空穴時(shí)，能帶邊緣上的自旋方向與所述磁化方向一 致。當(dāng)載流子是電子時(shí)，能帶邊緣上的自旋方向與磁化方向相反。
按照所述實(shí)施例的自旋濾波晶體管l具有自旋注入器5和自旋分 析器8;所述自旋注入器5具有第一鐵磁阻擋層2、與第一鐵磁阻擋層 2的一個(gè)端面結(jié)合的笫一非磁性電極層3以及與第一鐵磁阻擋層2的另 一個(gè)端面結(jié)合的第二非磁性電極層4;所述自旋分析器8具有第二鐵 磁阻擋層6、與第二鐵磁阻擋層6—個(gè)端面結(jié)合的第二非磁性電極層4 以及與第二鐵磁阻擋層6的另 一個(gè)端面結(jié)合第三個(gè)非磁性電極層7 。
正如從圖l(A)顯然看出的，自旋注入器5和自旋分析器8共享第二非磁 性電極層4。
作為第一、第二和第三非/磁性電極層3、 4和7，可以使用非磁金 屬、n-型非磁性半導(dǎo)體或p-型非磁性半導(dǎo)體。第二非磁性電極層4的 厚度最好低于從自旋注入器注入的自旋偏振熱載流子在第二非磁性 電極層4中的平均自由程。基極寬度比平均自由程短，以便允許電流 傳輸系數(shù)為0.5或更大?？梢垣@得電流放大功能。
作為第一和第二鐵磁阻擋層2和6，可以使用絕緣鐵磁半導(dǎo)體或 鐵磁絕緣體。鐵磁阻擋層的能帶是通過磁交換互作用而自旋分裂的。 可以在所述能帶邊緣上形成其中只存在上自旋或只有下自旋的能量 區(qū)。自旋偏振能帶稱為自旋能帶。所述能量區(qū)的寬度稱為自旋分裂 寬度厶。
如圖1(B)所示，用指向鐵磁阻擋層2和6的箭頭t表示的實(shí)線標(biāo) 示其中可以存在上自旋的能帶邊緣，也就是說，上自旋能帶邊緣9。 用指向鐵磁阻擋層2和6的箭頭丄表示的實(shí)線標(biāo)示其中可以存在下自 旋的能帶邊緣，也就是說，下自旋能帶邊緣IO。圖1(B)中的上自旋能 帶邊緣9和下自旋能帶邊緣10之間的部分是其中只可以存在上自旋的 區(qū)域。其能量高于下自旋能帶邊緣10的區(qū)域是其中上自旋和下自旋 都可以存在的區(qū)域。圖1(B)表示上自旋的自旋能帶低于下自旋的自旋 能帶的情況。相反的狀態(tài)也是可能的。
第 一鐵磁阻擋層2具有這樣一 個(gè)厚度，使得其中可以通過諸如 Fowler-Nordheim隧道(以下稱為FN隧道)成直接隧道等隧道效應(yīng)，通 過施加于第 一非磁性電極層3和第二非磁性電極層4的電壓，把載流 子從第一非磁性電極層3輸送到第二非磁性電極層4。直接隧道是指 這樣一種現(xiàn)象，其中載流子直^t妄穿過薄的勢壘輸送。FN隧道是指這 樣一種現(xiàn)象，其中在某個(gè)外加電壓以下直接隧道造成的隧道電流可 以忽略不計(jì)，而載流子借助隧道效應(yīng)穿過由施加某個(gè)數(shù)值以上的電 壓而產(chǎn)生的勢壘上部的三角形電勢。
施加于第一非磁性電極層3和第二非磁性電極層4的電壓可以是
用于典型的存儲器電路的電壓范圍，例如，大約為幾百毫伏到幾伏。
第二鐵磁阻擋層6的厚度必須是這樣的厚度，使得從第二非磁性電極 層4到第三非磁性電極層7不出現(xiàn)載流子的熱分離和由所述隧道引起 的電流(所謂漏電流)。
非磁性電極層3、 4和7以及鐵磁電極層2和6形成圖1(B)所示的能 帶結(jié)構(gòu)。圖l(B)中非磁性電極層部分的實(shí)線ll顯示金屬的Fermi能 量、n-型(p-型)半導(dǎo)體的Fermi能量或?qū)У锥说哪芰?價(jià)帶的頂部)。 鐵磁阻擋層2和6到非磁性電極層部分的實(shí)線11的較低的能量勢壘5用 ①c表示，而自旋分裂寬度用A表示。鐵磁阻擋層2和6可以具有不同 的①c和A。下面將示出鐵磁阻擋層2和6具有相同①c和A的情況。當(dāng) 載流子是電子時(shí)，非磁性金屬或n-型半導(dǎo)體用作非磁性電極層3、 4和 7,而用絕緣鐵磁半導(dǎo)體或鐵磁絕緣體作鐵磁阻擋層2和6。在這種情 況下，鐵磁阻擋層2和6的上自i走能帶邊緣9和下自旋能帶邊緣10是這 樣的自旋能帶邊緣其中導(dǎo)帶的底端是自旋分裂的。當(dāng)載流子是空 穴時(shí)，用p-型半導(dǎo)體作非磁性電極層3、 4和7，并用絕緣鐵磁半導(dǎo)體 或鐵磁絕緣體作鐵磁阻擋層2和6。在這種情況下，鐵磁阻擋層2和6 的上自旋能帶邊緣9和下自旋能帶邊緣10是這樣的自旋能帶邊緣，其 中價(jià)帶的頂部是自旋分裂的。
現(xiàn)將詳細(xì)描述自旋濾波晶體管的工作原理。在以下的描述中， 為了簡化描述，同時(shí)使用熱電子晶體管標(biāo)記。第一非磁性電極層3和 第一鐵磁阻擋層2稱為發(fā)射極21 。第二非磁性電極層4稱為基極22。 第二鐵磁阻擋層6和第三非磁性電極層7稱為集電極23。第一非磁性 電極層3稱為發(fā)射極3。第三非磁性電極層7稱為集電極7。現(xiàn)將描述 載流子為電子時(shí)的情況的一個(gè)實(shí)例(當(dāng)栽流子是空穴時(shí)工作原理基本 相同，故此描述從略)。
圖2(A)和2(B)是當(dāng)按照所述實(shí)施例的自旋濾波晶體管的發(fā)射極、 基極和集電極之間施加基極接地偏壓時(shí)的能帶示意圖，其中圖2(A)表
示笫一和第二鐵磁阻擋層的磁化方向彼此平行的情況，而圖2(B)表示 第 一和第二鐵磁阻擋層的磁化方向彼此反平行并與圖2(A)對應(yīng)的情 況。偏壓VEB施加在發(fā)射極21和基極22之間。偏壓VcB施加在基極22 和集電極23之間。VEB的振幅設(shè)置為滿足(φc < qVEB < φc + △)的方程關(guān)系。Q為電荷量。
發(fā)射極21用作自旋注入器，把自旋偏振熱電子注入基極22。 當(dāng) 偏壓VEB通過隧道把載流子從發(fā)射極3通過第一鐵磁阻擋層2輸送，第 一鐵磁阻擋層2的導(dǎo)帶自旋分裂，而存在于發(fā)射極3中的上自旋電子24 和下自旋電子25對所述勢壘高度的感覺是不同的。圖2(A)中，上自 旋電子24感覺的勢壘高度是對第 一鐵磁阻擋層2的上自旋能帶邊緣9 的能量，也就是說，φc。下自旋電子25感覺的勢壘高度是第一鐵磁 阻擋層2的下自旋能帶邊緣10的能量，也就是說，φc + △?？刂苹?極-發(fā)射極電壓可以選擇性地把其自旋每有較低感覺勢壘高度的電 子，在這種情況下就是具有上自旋的電子24以熱電子的形式隧道注 入到基極22中(所述現(xiàn)象稱為自旋濾波效應(yīng))。
自旋濾波晶體管的集電極23用作自旋分析器，選擇注入基極22的 自旋偏振熱電子的方向。通過偏壓V^變熱并注入基極22的自旋偏振 熱電子26，因?yàn)榛鶚O22的寬度設(shè)置得低于自旋偏振熱電子26的平均自 由程，所以可以以彈道方式(ballistically)在不損失能量的情況下達(dá)到 基極22和集電極23的界面。在集電極23的第二鐵磁阻擋層6中，通過 所述導(dǎo)帶的自旋分裂出現(xiàn)兩個(gè)具有不同的勢壘高度的勢壘。如圖2(A) 所示，當(dāng)笫一和第二鐵磁阻擋層2和6的磁化方向彼此平行時(shí)，其自 旋與自旋偏振熱電子26的自旋平行的笫二鐵磁阻擋層6的上自旋能帶 邊緣9，其能量低于自旋偏振熱電子26能量。自旋偏振熱電子26被引 導(dǎo)穿過第二鐵磁阻擋層6，到達(dá)集電極7，'成為集電極電流Ic。
如圖2(B)所示，第 一和笫二鐵磁阻擋層2和6的磁化方向彼此反 平行時(shí)，具有下自旋的自旋偏振熱電子27注入基極22。具有下自旋 的第二鐵磁阻擋層6的下自旋能帶邊緣IO,其能量高于所述自旋偏振
熱電子27的能量。所述自旋偏振熱電子27不能通過第二鐵磁阻擋層6 的導(dǎo)帶，在基極22和集電極23的界面上發(fā)生與自旋有關(guān)的散射(或反 散射)，損失能量，變?yōu)榛鶚O電流IB。
從發(fā)射極流到集電極的電流，其電流傳輸系數(shù)取決于發(fā)射極22 的第一鐵磁阻擋層2和集電極23的第二鐵磁阻擋層6的相對磁化方向 而非常不同。換句話說，集電才及電流對基極電流的電流放大系數(shù)非 常不同。
圖3(A)和3(B)是表示按照所述實(shí)施例的自旋濾波晶體管基極接地 時(shí)的靜態(tài)特性的示意圖，其中水平軸在所述圖中的向右的方向表示 集電極-基極電壓VcB,而在其向左的方向表示發(fā)射極-基極電壓VCB， 而垂直軸表示發(fā)射極電流IE、基極電流Ie和集電極電流Ic，其中圖3(A) 表示發(fā)射極和集電極的鐵磁阻擋層之間的磁化狀態(tài)是平行磁化的情 況的特性，而圖3(B)表示它是反平行磁化的情況的特性。在圖3(A)和 3(B)中，a是電流傳輸系數(shù)，)3是電流放大系數(shù)，而下標(biāo)TT和丄T表示發(fā) 射極和集電極的鐵磁阻擋層的相對磁化方向平行的情況和它們反平 行的情況。
如圖3(A)所示，當(dāng)發(fā)射極和集電極的磁化方向平行時(shí)，大部分 發(fā)射極電流Ie可以是集電極電流Ic。如圖3(B)所示，當(dāng)磁化方向反平 行時(shí)，大部分發(fā)射極電流^可以成為基極電流lB，類似于已知熱電子 晶體管或雙極性晶體管，按照所述實(shí)施例的晶體管可以用基極電流^ 控制集電極電流Ic，可以按照第 一和第二鐵磁阻擋層的相對磁化方向 控制電流放大系數(shù)。
作為按照所述實(shí)施例的自旋濾波晶體管的鐵磁阻擋層，可以使 用諸如EuS， EuSe和EuO等鐵磁半導(dǎo)體。還可以使用諸如R3Fe5012(R 表示稀土元素)等鐵磁絕緣體。作為非磁性電極層可以使用非磁性物 質(zhì)。例如，可以使用以高密度作為雜質(zhì)攙雜的諸如Al或Au等金屬或 諸如Si或GaAs等非磁性半導(dǎo)體。用EuS作鐵磁阻擋層，用A1作非磁性 電極層時(shí)，勢壘高度Oc-1.4eV，而自旋分裂寬度A-0.36eV。按照所
述實(shí)施例的的自旋濾波晶體管可以利用上述材料通過已知的分子束 外延生長法、真空淀積法和賊射法制造。
現(xiàn)將以存儲單元的形式描述利用本發(fā)明的自旋濾波晶體管的非 易失存儲器。
圖4(A)是表示利用按照所迷實(shí)施例的自旋濾波晶體管1的存儲單元結(jié)構(gòu)實(shí)例的示意圖。在圖4(A)所示的存儲單元中，若干個(gè)自旋濾波 晶體管排列成矩陣，發(fā)射極端子E接地，以便把集電極端子C和基極 端子B連接到讀出位線BL和讀出字線WL。重寫字線和重寫位線在與 其它導(dǎo)線處于電氣絕緣的狀態(tài)下在自旋濾波晶體管上排列成彼此交 叉?？梢允褂米x出位線BL和讀出字線WL作為重寫字線和重寫位線。 圖4(A)是表示所述種情況的單元結(jié)構(gòu)的示意圖。圖4(A)中，存儲單元 可以只用自旋濾波晶體管構(gòu)成，并且可以具有很簡單的布線結(jié)構(gòu)。 可以容易地構(gòu)成適用于高密度集成的布置。相同的單元結(jié)構(gòu)用于圖 4(B)。
現(xiàn)將參照圖4(B)描述按照所述實(shí)施例的存儲器電路。在按照所 述實(shí)施例的存儲器電路41中，第二非磁性電極4作為自旋濾波晶體管 1(圖1)的基極連接到字線42,第三非磁性電極7作為自旋濾波晶體管l 的集電極連接到位線43 ，位線43通過負(fù)載(RJ44連接到電源(V^)45, 而第一非磁性電極3作為自旋濾波晶體管l的發(fā)射極接地。用純電阻 作負(fù)載?？梢允褂美镁w管的有源負(fù)載。
為了讀出指定存儲單元存儲的信息，選擇指定的字線，在發(fā)射 極和基極之間施加偏壓，通過負(fù)載電阻44向位線43施加電源45的電 源電壓Vee，按照出現(xiàn)在位線43上的輸出電壓V。的振幅讀出存儲的信 息。圖4(C)中，垂直軸表示集電極電流IC,水平軸表示集電極-發(fā)射 極電壓V③，在同一圖中示出所述自旋濾波晶體管的Ic-Vce特性和負(fù) 載電阻44的負(fù)載直線46。
根據(jù)這些特性曲線的交點(diǎn)確定輸出電壓V。。如圖4(C)所示，其 中第一和第二鐵》茲阻擋層2和6的相互磁化狀態(tài)為平行和反平行的輸出電壓是yib 和y]b 。外和yib 的絕對值和yib 和y)b 的比率可以通過電路參數(shù)(R^和Vcc)優(yōu)化。與MTJ不同，在不調(diào)整裝置本身結(jié)構(gòu)的情況下，按照所述實(shí)施例的非易失存儲裝置可以獲得具有所 必需的振幅的輸出信號和輸出信號的比率。
用于按照所述實(shí)施例的晶體管中的自旋濾波效應(yīng)是一種利用鐵磁物質(zhì)能帶自旋分裂的效應(yīng)，并具有高于MTJ的TMR效應(yīng)的自旋選 擇本領(lǐng)。當(dāng)把基極寬度設(shè)置成低于自旋f扁振熱載流子的平均自由程 并且第 一和第二鐵磁阻擋層之間的相對磁化狀態(tài)為平行磁化時(shí)，電 流傳輸系數(shù)a (由Ic/Ie定義)可以是O.5或更高。當(dāng)它是反平行磁化時(shí)， 電流傳輸系數(shù)很小。從電流放大系數(shù)P(由Ic/lB定義)看，在平行磁化 和反平行磁化的情況下電流傳輸系數(shù)的改變還可以進(jìn)一 步放大。上 述外圍電路針對其中磁化狀態(tài)差異巨大的自旋濾波晶體管輸出特性優(yōu)化輸出信號?？梢匀菀椎孬@得所需的輸出信號絕對值和所需的輸 出信號比率。
現(xiàn)將描述一種利用其輸出特性隨載流子自旋方向而定的晶體管 (以下稱為"自旋晶體管")的非易失存儲器電路。
按照本發(fā)明的存儲器電路涉及 一 種利用自旋晶體管的非易失存 儲器電路。所述自旋晶體管包括諸如鐵磁金屬和鐵磁半導(dǎo)體等鐵磁 物質(zhì)，并按照磁化狀態(tài)控制載流子的自旋方向，以便改變所述輸出 特性。根據(jù)鐵磁物質(zhì)的磁化狀態(tài)在所述自旋晶體管中存儲信息，利 用反映磁化狀態(tài)的晶體管輸出特性來讀出所述信息。 一位非易失存 儲單元可以用一個(gè)自旋晶體管構(gòu)成?？梢酝ㄟ^連接到所述存儲單元 的外圍電路來優(yōu)化關(guān)于所述存儲信息的輸出信號的數(shù)值。
更詳細(xì)地說，所述自旋晶體管具有能夠通過磁場獨(dú)立地控制磁 化方向的至少 一個(gè)鐵磁層(自由層)和其中磁化方向是固定的或其矯頑 力大于自由層的矯頑力的至少一個(gè)鐵磁層(固定層)，并且所述自旋晶 體管是一種能夠在相同的偏置下按照自由層和固定層的相對磁化方 向控制晶體管輸出特性的晶體管。通過磁場改變自由層的磁化方向。
自由層和固定層的相對磁化狀態(tài)可以是平行磁化和反平行磁化的兩 種磁化狀態(tài)。兩種磁化狀態(tài)對應(yīng)于存儲的二進(jìn)制信息。
自旋晶體管可以根據(jù)諸如與自旋有關(guān)的散射、隧道磁電阻效應(yīng) 和自旋濾波效應(yīng)等隨流子的自旋方向而改變的導(dǎo)電現(xiàn)象獲得與所述 晶體管內(nèi)的磁化狀態(tài)相應(yīng)的輸出特性。自旋晶體管具有注入自旋偏 振載流子的第 一 電極結(jié)構(gòu)、接收自旋偏振載流子的第二電極結(jié)構(gòu)和 控制從第一電極結(jié)構(gòu)導(dǎo)通到第二電極結(jié)構(gòu)的自旋偏振載流子數(shù)量的 第三電極結(jié)構(gòu)。
自旋晶體管是基于與典型晶體管相同的工作原理工作的，例外 的是導(dǎo)電現(xiàn)象取決于自旋。自旋晶體管可以分類為諸如雙極性晶體 管等的電流驅(qū)動型晶體管或諸如場效應(yīng)晶體管等的電壓驅(qū)動型晶體 管。在電流驅(qū)動型晶體管中，第一電極結(jié)構(gòu)對應(yīng)于發(fā)射極，第二電 極結(jié)構(gòu)對應(yīng)于集電極，而第三電極結(jié)構(gòu)對應(yīng)于基極。在所述實(shí)施例 中描述的自旋濾波晶體管分類為電流驅(qū)動型。在電壓驅(qū)動型晶體管 中，第一電極結(jié)構(gòu)對應(yīng)于源極，第二電極結(jié)構(gòu)對應(yīng)于漏極，而第三 電極結(jié)構(gòu)對應(yīng)于柵極。在相同的偏置下，在自旋晶體管中的輸出電 流(集電極電流或漏極電流)是按照包括在所述自旋晶體管中的鐵磁物 質(zhì)的磁化狀態(tài)而改變的。
現(xiàn)將描述所述自旋晶體管的細(xì)節(jié)。將描述自旋晶體管和一種利 用自旋晶體管的非易失存儲器的典型輸出特性?？梢岳檬┘釉谧?旋晶體管中的自由層的磁場來實(shí)現(xiàn)自由層和固定層的相對磁化狀態(tài) 的平行磁化或反平行磁化。磁化狀態(tài)可以穩(wěn)定地存在，除非施加了一個(gè)高于自由層矯頑力的磁場。
圖5 (A)示意地表示電流驅(qū)動型自旋晶體管的輸出特性的實(shí)例。類似于典型電流驅(qū)動型晶體管，可以按照基極電流Ie的振幅來控制集 電極電流I。集電極電流的振幅取決于包括在所述自旋晶體管中的鐵 磁物質(zhì)的磁化狀態(tài)。圖5(A)中，當(dāng)向所述自旋晶體管施加相同的偏置 (IB=IB1)，平行磁化時(shí)集電極電流IC1大，反平行磁化時(shí)集電極電流IC1小。
圖5(B)示意地表示電壓驅(qū)動型自旋晶體管輸出特性的一個(gè)實(shí) 例。類似于諸如典型的MOS晶體管等場效應(yīng)晶體管，當(dāng)柵極-源極
電壓(Ves)小于閾值VT(V^VT)時(shí)，自旋晶體管處于非導(dǎo)通狀態(tài)，于
是幾乎不產(chǎn)生漏極電流。施加高于VT的Vcs時(shí)，所述自旋晶體管便進(jìn)
入導(dǎo)通狀態(tài)。在相同偏置(Vg^V側(cè))下，當(dāng)包括在所述自旋晶體管中 的鐵磁物質(zhì)具有平行磁化或反平行磁化時(shí)，漏極電流值不同。圖3(B) 中，在具有平行磁化的情況下，漏極電流I。大，而在具有反平行磁 化的情況下，漏極電流Ipj小。
自旋晶體管可以根據(jù)集電才及電流或》漏極電流的振幅在電氣上檢 測出包括在所述電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型器件中自由層和固定層的 相對磁化方向。正如上面描述的，鐵磁物質(zhì)可以穩(wěn)定地保持其磁化 方向，除非從外面施加一個(gè)高于所述自由層矯頑力的磁場。自旋晶
狀態(tài)是平行磁化的或是反平行^茲化，以非易失的方式存儲二進(jìn)制信 息。 一位非易失存儲單元可以用一個(gè)自旋晶體管構(gòu)成。
現(xiàn)將以利用電壓驅(qū)動型自i走晶體管的情況為例，詳細(xì)描述利用 自旋晶體管的非易失存儲器。利用電流驅(qū)動型自旋晶體管作為存儲 單元的非易失存儲器可以用相同的方式構(gòu)成。
圖6 (A)是表示利用自旋晶體管的存儲單元結(jié)構(gòu)實(shí)例的示意圖， 圖6(B)是表示基于所述存儲單元的存儲器電路結(jié)構(gòu)實(shí)例的示意圖。圖 6(A)和6(B)的關(guān)系與圖4(A)和4(B)的關(guān)系相同。在圖6(A)所示的存儲 單元中，若干個(gè)自旋晶體管150排列成矩陣，源極S接地，以便分別 把漏極D和柵極G連接到讀出位線BL和讀出字線WL。 重寫字線和重 寫位線在所述自旋晶體管150上排列成彼此交叉，處于在電氣上與其 它導(dǎo)線絕緣的狀態(tài)下?？梢允褂米x出位線BL和讀出字線WL作為重寫 字線和重寫位線。圖6(A)和6(B)是表示所述情況的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖 6(A)和6(B)中，存儲單元可以用 一個(gè)自旋晶體管構(gòu)成并可以具有非常
簡易的布線結(jié)構(gòu)。
具體地說，在具有類似于MOS晶體管的形式的電壓驅(qū)動型自旋 晶體管中，在相鄰存儲單元之間源極是共享的。可以容易地構(gòu)成適
合于^:加工的布局。
重寫/讀出位線和重寫/讀出字線簡稱為位線BL和字線WL。
重寫信息的方法如下使電流流到在選定的存儲單元上交叉的 位線BL和字線WL,以便利用由流到各自導(dǎo)線的電流感生的合成磁場 來使所述選定的存儲單元的自由層倒轉(zhuǎn)。在這種情況下，為了使連 接到與選定的單元相同位線BL或字線WL上的非選定的單元不倒轉(zhuǎn)磁 化，要這樣設(shè)置流到各自導(dǎo)線的電流值，使得在由所述各導(dǎo)線之一 引起的磁場中不發(fā)生磁化倒轉(zhuǎn)。
讀取信息時(shí)，向連接到選定單元的字線WL施加電壓，以便所述 所述自旋晶體管導(dǎo)通，然后向所述位線施加電壓，檢測漏極電流的 振幅。根據(jù)所述漏極電流的振幅，可以檢測出自由層和固定層的相 對磁化狀態(tài)。
圖6(B)是存儲器電路，它連接到輸出端Vo和從輸出端Vo通過負(fù) 載分支到圖6(A)所示的存儲器電路位線一端的源極電壓VDD。圖6(C) 表示圖6(B)所示的存儲單元的靜態(tài)特性和工作點(diǎn)。這里，用由抑制 型(depression type)MOS晶體管形成的有源負(fù)載160作為負(fù)載。如圖4(B) 所示，可以使用純電阻。如圖6(C)所示，讀取信息時(shí)在自旋晶體管150 的柵極上施加?xùn)艠O電壓V^，以便通過所述負(fù)載把源極電壓VDD施加 在位線BL上，有源負(fù)載的工作點(diǎn)按照固定層和自由層的磁化狀態(tài)， 在圖6(C)中的負(fù)載曲線上移動(圖中pll和p12)。平行磁化和反平行磁 化時(shí)的輸出信號Vo是圖中的V^和V。u /各自輸出信號的絕對值和 (VPT )的比率可以用有源負(fù)載的晶體管特性和外圍電路的參數(shù)諸 如V。D優(yōu)化。例如，優(yōu)化所述自旋晶體管的靜態(tài)特性和有源負(fù)載的 負(fù)載曲線的交點(diǎn)。當(dāng)漏極電流比率1^/1^小時(shí)，可以獲得大的輸出 信號比率。當(dāng)存儲單元改變^和I^的數(shù)值，而有源負(fù)載的飽和電
流大于It而小于Im時(shí)，輸出電壓幾乎無法改變。因?yàn)椴皇褂米x出放 大器來讀取信息，故可能高速讀取。所述存儲器電路具有以下優(yōu)點(diǎn) 可以容易獲得所需振幅的輸出信號，并T能高速讀出。
在利用先有技術(shù)MTJ和MOS晶體管的存儲單元中，按照MTJ的 電阻用讀出放大器讀出輸出電壓。輸出電壓由流到M T J的電流值和 MTJ的阻抗(結(jié)電阻)確定。輸出電壓比率不能用外圍電路自由調(diào)整。
現(xiàn)將參照附圖描述可以應(yīng)用于按照所述實(shí)施例的非易失存儲器 電路的自旋晶體管結(jié)構(gòu)。FM是鐵磁金屬的縮寫，F(xiàn)S是導(dǎo)電鐵磁半導(dǎo) 體的縮寫，IFS是絕緣鐵磁半導(dǎo)體的縮寫,而NM是非磁性物質(zhì)的縮寫。 NM金屬表示非磁性金屬，而NM半導(dǎo)體表示非磁性半導(dǎo)體。現(xiàn)將描 述電流驅(qū)動型自旋晶體管。
圖7是熱電子晶體管型自旋晶體管的能帶示意圖。自旋晶體管200 具有由FM或FS制成的發(fā)射極201和基極205。更詳細(xì)地說，自旋晶體 管200具有由FM(或FS)制成的發(fā)射極201、由NM制成的發(fā)射極阻擋層 203、由FM(或FS)制成的基極205、由NM制成的集電極阻擋層207和 由NM制成的集電極211 ?？梢允褂梅谴判越饘倩蚍谴判园雽?dǎo)體作為 應(yīng)。
在圖7所示的自旋晶體管200中，自旋偏振熱載流子從發(fā)射極201 通過發(fā)射極阻擋層203隧道注入基極205。
當(dāng)發(fā)射極201和基極205具有平行磁化時(shí)，注入的自旋偏振熱載 流子在基極205中幾乎不發(fā)生與自旋有關(guān)的散射。當(dāng)這樣設(shè)置基極寬 度使得自旋偏振熱載流子可以按彈道方式通過基極205而輸送時(shí)，它 們穿過集電極阻擋層207到達(dá)集電極211。執(zhí)行與典型熱電子晶體管 相同的晶體管操作。
當(dāng)發(fā)射極201和基極205具有反平行磁化時(shí)，從發(fā)射極201注入基 極205的自旋偏振熱載流子由于基極205中與自旋有關(guān)的散射而損失 能量，變?yōu)榛鶚O電流，不穿過集電極阻擋層207。當(dāng)發(fā)射極201和基 極205具有反平行磁化時(shí)，電流傳輸系數(shù)比兩者具有平行磁化的情況
低。向自旋晶體管200施加相同的偏置時(shí)，發(fā)射極201和基極205的 相對磁化狀態(tài)上的差異使電流傳輸系數(shù)或電流放大系數(shù)不同。適當(dāng) 地選擇集電極阻擋層的勢壘高度，自旋晶體管200可以在室溫下工作。
自旋晶體管200必須具有大的基極寬度，使得與自旋有關(guān)的散射 可以有效地發(fā)揮作用，以便在發(fā)射極和基極具有平行磁化的情況下 和它們具有反平行磁化的情況下電流傳輸因子的比率增大。當(dāng)基極 寬度加大而發(fā)射極和基極具有平行磁化時(shí)，電流傳輸系數(shù)較小并低 于0.5，使得失去放大功能，需要權(quán)衡利弊。
圖8是利用熱分離作為向基^^及自旋注入機(jī)制的熱電子晶體管型自 旋晶體管的能帶示意圖。如圖8所示，自旋晶體管220具有由FM(或FS) 制成的發(fā)射極221 、由FM(或FS)制成的基極225和設(shè)置在兩者之間的 由NM制成的發(fā)射極阻擋層223 。它還具有由NM形成的集電極阻擋層 227和在基極225和發(fā)射極阻擋層223的結(jié)的相反一側(cè)由NM形成的集 電極231?？梢园逊谴判园雽?dǎo)體用作發(fā)射極阻擋層223和集電極阻擋 層227?？梢园逊谴判园雽?dǎo)體或非磁性金屬用作集電極231。
在發(fā)射極221和發(fā)射極阻擋層223之間形成歐姆接觸或隧道接觸。在基極225和發(fā)射極阻擋層223之間或基極225和集電極阻擋層227 之間形成結(jié)，以便具有圖9中所示的能帶不連續(xù)性。能帶不連續(xù)性可 以通過NM半導(dǎo)體和FM之間的Schottky結(jié)和NM半導(dǎo)體和FS的異質(zhì)結(jié) 實(shí)現(xiàn)。或者，由FS和FM形成Schottky結(jié)，在這種情況下產(chǎn)生的Schottky 勢壘是發(fā)射極勢壘，F(xiàn)S是發(fā)射極而FM是基極。
通過向基極225施加相對于發(fā)射極221的偏置，通過熱分離使從 發(fā)射極221擴(kuò)散到發(fā)射極阻擋層223的自旋偏振載流子作為熱載流子 注入基極225。發(fā)射極221和基極225具有平行磁化時(shí)，注入基極225 的自旋偏振載流子在不發(fā)生與自旋有關(guān)的散射的情況下抵達(dá)集電 極。發(fā)射極221和基極225具有反平行磁化時(shí)，自旋偏振載流子通過 與自旋有關(guān)的散射變?yōu)榛鶚O電流。自旋晶體管220利用基極中的與自
旋有關(guān)的散射。類似于自旋晶體管200，在平行磁化和反平行磁化下 電流傳輸因子的比率和平行磁化中電流傳輸系數(shù)之間存在權(quán)衡利弊 的關(guān)系。與利用隧道注入的自旋晶體管相比，存在這樣一種特性， 即，電流驅(qū)動力可以大而且容易實(shí)現(xiàn)室溫工作。
圖9是利用自旋濾波效應(yīng)的熱電子晶體管型自旋晶體管的能帶示
意圖。雖然已經(jīng)詳細(xì)描述過，4旦是現(xiàn)在還要簡短地描述它的特性。
圖9中所示的自旋晶體管240具有由IFS制成的發(fā)射極阻擋層243和集電 極阻擋層247。只有具有發(fā)射極阻擋層243的自旋濾波效應(yīng)造成的自 旋的載流子，才可以從NM半導(dǎo)體(或NM金屬)制成的發(fā)射極241,選 擇性地注入NM半導(dǎo)體(或NM金屬)制成的基極245。把基極寬度設(shè)置 成低于自旋偏振熱載流子的平均自由程。注入基極245的自旋偏振熱 載流子以彈道方式通過基極245導(dǎo)通。此時(shí)，向自旋晶體管240提供 這樣的偏置，使得自旋偏振熱載流子注入集電極阻擋層247(用圖9中 向上箭頭表示的自旋能帶邊緣)的上自旋能帶的能量分裂寬度和下自 旋能帶(圖9中的向下箭頭表示的自旋能帶邊緣)。當(dāng)發(fā)射極阻擋層243 和集電極阻擋層247具有平行》茲化時(shí)，注入基極245的自旋偏振熱載 流子用具有集電極阻擋層247中的低能量、的自旋能帶，通過集電極阻 擋層247的自旋濾波效應(yīng)穿過所述勢壘，并可以傳播到NM半導(dǎo)體(或 NM金屬)的集電極251。當(dāng)發(fā)射極阻擋層243和集電極阻擋層247具有 反平行磁化時(shí)，大部分自旋偏振熱載流子不能靠集電極阻擋層247的 自旋濾波效應(yīng)穿過集電極阻擋層247,變?yōu)榛鶚O電流。
在自旋晶體管240中，電流傳輸系數(shù)(或電流放大系數(shù))按照發(fā)射 極阻擋層243和集電極阻擋層247的相對磁化方向而不同。自旋濾波 效應(yīng)具有很大的自旋選擇本領(lǐng)。在所述晶體管中，平行/磁化和反平 行磁化時(shí)的電流傳輸因子的比率增大。自旋晶體管240可以充分地減 小基極寬度。與利用圖7和8所示的與自旋有關(guān)的散射的自旋晶體管 不同，有以下優(yōu)點(diǎn)在電流;故大系數(shù)和自旋選擇本領(lǐng)之間對基極寬
度不存在權(quán)衡利弊的關(guān)系。
圖10是隧道基極晶體管型自旋晶體管的能帶示意圖。如圖10所示，在隧道基極晶體管型自旋晶體管260中，p-型(或n-型)FS用作發(fā)射 極261和集電極265,而n-型(或p-型)NM半導(dǎo)體用作隧道基極263。最 好使用II型異質(zhì)結(jié)，使得基極263是在發(fā)射極和基極之間以及在基極 和集電極之間對空穴(或電子)的勢壘?；鶚O寬度較小，以便產(chǎn)生從發(fā) 射極到集電極的隧道電流。
在圖10中所示的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)發(fā)射極261和集電極265具有平行磁 化時(shí)，具有發(fā)射極的若干自旋的載流子可以容易地穿過隧道到達(dá)集 電極265,并且隧道電導(dǎo)率高。當(dāng)發(fā)射極261和集電極265具有反平行 磁化時(shí)，由于隧道磁阻效應(yīng)(TMR效應(yīng))隧道電導(dǎo)電率低。集電極電流 的振幅可以按照發(fā)射極261和集電極265的相對磁化狀態(tài)控制。
當(dāng)自旋晶體管260中的TMR比率大時(shí)，取決于發(fā)射極和集電極的 磁化狀態(tài)的集電極電流的變化可以增大。為了有效地通過自旋晶體 管260呈現(xiàn)TMR效應(yīng)，當(dāng)向基才及-集電極結(jié)施加反偏置時(shí)，抑制層最 好不擴(kuò)展到集電極側(cè)。當(dāng)抑制層擴(kuò)展到基極側(cè)時(shí)，在集電極電流的 飽和特性上存在出現(xiàn)問題的可能性。
當(dāng)基極層以高密度攙雜，使得自旋晶體管260中的抑制層不展寬 到基極層，而基極-集電極結(jié)的抑制層擴(kuò)展到集電極側(cè)時(shí)，不能期望 基極中的TMR效應(yīng)和注入集電才及的載流于通過集電極中的與自旋有 關(guān)的散射而產(chǎn)生電阻。利用與自旋有關(guān)的散射可以改變集電極電流 按照發(fā)射極和集電極的磁化狀態(tài)的振幅。與自旋有關(guān)的散射造成的 電阻變化小。與利用TMR效應(yīng)相比，效應(yīng)可能不高?，F(xiàn)將參照附圖 描述電壓驅(qū)動型自旋晶體管。
圖11是表示M0S晶體管型自旋晶體管的剖面結(jié)構(gòu)的示意圖。如圖11所示，MOS晶體管型自旋晶體管300具有這樣一種結(jié)構(gòu)，其中源 極303由FM制成，漏極305由FM制成，而柵極31 l通過柵極絕緣膜307 在NM半導(dǎo)體301上形成。用FM和NM半導(dǎo)體的Schottky結(jié)作為源極303 和漏極305。其它結(jié)構(gòu)與典型的MOS晶體管相同。
從源極303注入直接在NM半導(dǎo)體301中柵極絕緣膜307下面形成 的溝道的自旋偏振載流子穿過溝道到達(dá)漏極305(為簡單起見，以下忽 略注入所述溝道的自旋的柵極電場造成的Rashba效應(yīng)的影響)。當(dāng)源 極303和漏極305具有平行^磁化時(shí)，注入漏極305的自旋偏振載流子不 發(fā)生與自旋有關(guān)的散射。當(dāng)它們具有反平行磁化時(shí)，在漏極305中產(chǎn) 生與自旋有關(guān)的散射造成的電阻。
在晶體管300中，跨導(dǎo)依源極和漏極相對磁化方向而不同。
FS還可以用作源極303和漏極305,在它和半導(dǎo)體301之間形成pn 結(jié)，以形成源極和漏極。
圖12是表示調(diào)制攙雜晶體管型自旋晶體管的剖面結(jié)構(gòu)的示意 圖。自旋晶體管320具有由FM(或FS)制成的連接到在第一NM半導(dǎo) 體321和第二NM半導(dǎo)體327的界面上產(chǎn)生的二維載流子氣體的源極 323;由FM(或FS)制成的漏極325;以及柵極331。這與典型的調(diào)制攙 雜晶體管相同，只是源極323和漏極325由鐵磁物質(zhì)制成。
自旋偏振載流子從源極323注入由二維載流子氣體形成的溝道 333。由于漏極325中與自旋有關(guān)的散射的緣故，達(dá)到漏極325的自旋 偏振載流子按照源極323和漏極325的相對磁化方向而具有不同的跨 導(dǎo)。
圖13是利用F S作為溝道區(qū)域的M 0 S晶體管型自旋晶體管的剖面 圖。圖13所示的自旋晶體管340具有這樣一種結(jié)構(gòu)，其中通過柵極絕 緣膜347在FS 341上形成由FM制成的源銀343、由NM(或FM或FS)制 成的漏極345和柵極351。 FM和FS的Schottky結(jié)用作源極343。其它結(jié) 構(gòu)與典型的MOS晶體管相同。
自旋偏振載流子從源極343通過Schottky勢壘隧道注入溝道341 。 通過隧道注入的TMR效應(yīng)和FS 341的溝道中與自旋有關(guān)的散射來實(shí) 現(xiàn)取決于源極343和FS341的相對磁化方向的跨導(dǎo)。
在圖14中示出其剖面結(jié)構(gòu)的自旋晶體管360是一種具有插入在由 FM(FS)制成的源極361和由FM(或FS)制成的漏極363之間的隧道結(jié)結(jié)構(gòu)并且這樣設(shè)置柵極371以便向隧道阻擋層365施加電場的自旋晶體 官。
最好這樣設(shè)置隧道阻擋層365的膜厚度，使得當(dāng)只在源極和漏極 之間施加偏置時(shí)不發(fā)生Fowler-Nordheim(FN)隧道。通過柵極電壓來 改變在源極和漏極之間施加偏置而產(chǎn)生的隧道勢壘能帶邊緣的三角 形電勢，以便誘生FN隧道，獲得漏極電流。
從源極361注入的自旋偏振載流子按照源極361和漏才及363的相對 磁化狀態(tài)而在漏極363內(nèi)發(fā)生與自旋有關(guān)的散射?？梢酝ㄟ^源極和漏 極的相對磁化方向來控制所述晶體管的跨導(dǎo)。
圖15中示出其剖面結(jié)構(gòu)的自旋晶體管380用 一種由IFS制成的隧 道阻擋層385代替圖14中所示的自旋晶體管360的隧道阻擋層。源極 381必須是由FM或FS制成的。漏極383不必是鐵磁物質(zhì)。IFS隧道阻 擋層385的勢壘高度按照載流子的自旋方向而不同。當(dāng)源極381和隧 道阻擋層385具有平行磁化時(shí)，在源極和漏極之間以及源極和柵極之 間施加偏置，使晶體管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。在相同的偏置條件下，當(dāng)源 極381和隧道阻擋層385具有反平行磁化時(shí)，從源極381的若干自旋看 到的隧道勢壘的高度增大了。自旋偏振載流子的隧穿幾率減小，使 漏極電流減小。自旋濾波效應(yīng)的自旋選擇本領(lǐng)很大。利用一種具有 大的自旋偏振率的鐵磁物質(zhì)作為源極381時(shí)，跨導(dǎo)按照源極和漏極的 相對/f茲化方向可以發(fā)生^艮大的變化。
上述不同的自旋晶體管可以用作圖4或圖6所示的存儲器電路的 存儲單元。
還有可能形成一種結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)圖ll、 14和15中所示的電壓 驅(qū)動型自旋晶體管的源極作為一個(gè)源極共享。圖16(A)是表示具有共 享源極結(jié)構(gòu)的存儲單元的結(jié)構(gòu)實(shí)例的示意圖。圖16(B)是表示具有共 享源極結(jié)構(gòu)的存儲單元的剖面結(jié)構(gòu)實(shí)例的示意圖。
圖16(A)和16(B)中所示的存儲單元結(jié)構(gòu)具有彼此相鄰的第 一 自 旋晶體管Trl和第二自旋晶體管Tr2;可共享地連接第一 自旋晶體管Trl 的柵極G1和第二自旋晶體管Tr2的柵極G2的字線WL;連接到第一自 旋晶體管Trl的第 一漏極D1的第 一位線BL1;連接到第二自旋晶體管 的笫二漏極D2的第二位線BL2;在第一和第二自旋晶體管Trl和Tr2之 間共享的鐵磁源極S;以及將其接地的導(dǎo)線。利用上述共享源極的結(jié) 構(gòu)提供一種適宜于高密度集成的單元結(jié)構(gòu)。
為了在圖ll、 14和15中所示的電壓驅(qū)動型自旋晶體管中，把非 導(dǎo)通時(shí)的漏電流減到最小，最好使用圖16(B)中所示的具有高絕緣性 的SOI襯底。
如上所述，按照本發(fā)明所述實(shí)施例的自旋濾波晶體管和所述實(shí) 施例中所示的不同自旋晶體管具有一種能夠按照包括在所述器件中 的固定層和自由層的相對磁化方向控制輸出特性的特性。所述相對 磁化狀態(tài)具有非易失的特性，能夠在不施加電源的情況下保持其狀 態(tài)。所述相對磁化狀態(tài)可以以非易失的^式存儲二進(jìn)制信息。利用 上述輸出特性可以在電氣上檢測所述相對磁化狀態(tài)。 一位非易失存 儲單元可以用一個(gè)自旋晶體管構(gòu)成。利用所述非易失存儲器電路， 利用按照所述實(shí)施例的自旋晶體管，可以自由地設(shè)計(jì)輸出信號的振 幅和輸出信號對存儲信息的比率。
利用按照本發(fā)明所述實(shí)施例的自旋晶體管和利用所述種自旋晶 體管的存儲器電路，可以提高非易失存儲器電路的工作速度和集成 度。
上面通過一些實(shí)施例描述了本發(fā)明。本發(fā)明不限于此。對于本 專業(yè)的技術(shù)人員來說，顯然可以實(shí)現(xiàn)各種不同的修改、改進(jìn)和組合。
工業(yè)應(yīng)用的可能性
如上所述，按照本發(fā)明的自旋濾波晶體管可以按照鐵磁阻擋層 的相對磁化方向才及大地改變輸出特性。
利用自旋濾波晶體管和另一個(gè)具有與其相同的特性的自旋晶體 管作為存儲單元的非易失存儲器電路可以按照包括在所述晶體管中的鐵磁物質(zhì)的相對磁化方向存^f諸二進(jìn)制信息，并可以在電氣上檢測 所述相對磁化方向。利用本發(fā)明的非易失存儲器電路可以自由地設(shè) 計(jì)相對于所述存儲的信息的輸出信號。可以實(shí)現(xiàn)一種只用一個(gè)晶體 管構(gòu)成一位非易失存儲單元以高密度集成的高速非易失存儲器電 路。
權(quán)利要求
1.一種晶體管，它包括通過自旋濾波效應(yīng)注入自旋偏振熱載流子的自旋注入器和通過自旋濾波效應(yīng)選擇所述注入的自旋偏振熱載流子的自旋分析器。
2. 如權(quán)利要求1所述的晶體管，其中所述自旋注入器具有第 一鐵磁阻擋層，它能夠通過在其兩端施加電壓而使載流子通過隧道； 第一非磁性電極層，它與所述第一鐵磁阻擋層的一個(gè)端面結(jié)合；以 及第二非磁性電極層，它與所迷第一鐵磁阻擋層的另一個(gè)端面結(jié)合。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的晶體管，其中所述自旋分析器具有 第二鐵磁阻擋層，所迷第二非磁性電極層與所述第二鐵磁阻擋層的 一個(gè)端面結(jié)合；以及第三非磁性電極層，它與所述第二鐵磁阻擋層 的另 一個(gè)端面結(jié)合，并且所述自旋分析器與所述自旋注入器共享所 述第二非磁性電極層。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的晶體管，其中所述笫一和第二鐵磁 阻擋層包括鐵磁半導(dǎo)體或鐵磁絕緣體。
5. 如權(quán)利要求2到4中任何一個(gè)所述的晶體管，其中所述第二 非磁性電極層的厚度小于所述第二非磁性電極層的自旋偏振熱載流 子的平均自由程。
6. 如權(quán)利要求2到5中任何一個(gè)所述的晶體管，其中按照所述 自旋注入器的自旋濾波效應(yīng)，在通過向所述第一非磁性電極層和所 述第二非磁性電極層施加電壓而產(chǎn)生的載流子的隧道效應(yīng)中，其自旋方向平行于所述第 一非磁性電極層中存在的載流子的所述第 一鐵 磁阻擋層的能帶邊緣上的自旋能帶的載流子，其通過隧道的幾率大， 而其自旋方向反平行于所述第 一非磁性電極層中存在的載流子的所述第 一鐵磁阻擋層的能帶邊緣上的自旋能帶的載流子，其通過隧道 的幾率小。
7. 如權(quán)利要求2到6中^f壬何一個(gè)所述的晶體管，其中按照所述 自旋分析器的自旋濾波效應(yīng)，當(dāng)從所述自旋注入器注入的自旋偏振 熱載流子的自旋方向平行于所述第二鐵磁阻擋層的能帶邊緣上的自 旋能帶的自旋方向時(shí)，所述自旋偏振熱載流子被引導(dǎo)通過所述第二 鐵磁阻擋層的能帶邊緣上的自旋能帶，抵達(dá)所述笫三非磁性電極層， 而當(dāng)所述自旋偏振熱載流子的自旋方向反平行于所述第二鐵磁阻擋 層能帶邊緣上的自旋能帶的自旋方向時(shí)，所述自旋偏振熱載流子不 能抵達(dá)所述第三非磁性電極層。
8. 如權(quán)利要求2到7中任何一個(gè)所述的晶體管，其中第一電壓 通過第一電源加到所述第一非磁性電極層和所述第二非磁性電極層 之間，第二電壓通過第二電源加到所述第二非磁性電極層和所述笫 三非磁性電極層之間或所述第一非磁性電極層和和所述第三非磁性 電極層之間，并且按照所述第一鐵磁阻擋層和所述第二鐵磁阻擋層 的相對磁化方向，從所述第一非磁性電極層注入所述第二非磁性電 極層和所述第二電源的自旋偏振熱載流子，或者轉(zhuǎn)換到通過所述第 二鐵磁阻擋層和所述第二電源流動的電流，或者轉(zhuǎn)換到通過所述第 二非磁性電極層和所述第 一 電源流動的電流。
9. 如權(quán)利要求8所述的晶體管，其中施加所述第一電壓，使得 所述注入的自旋偏振熱載流子的能量大于所述第二鐵磁阻擋層的自 旋能帶邊緣的能量，并小于自旋分裂寬度加上自旋能帶邊緣的能量。
10. 如權(quán)利要求9所述的晶體管，其中施加一種磁場，使所述 第 一鐵磁阻擋層和所述第二鐵磁阻擋層的磁化方向中任何一個(gè)倒 轉(zhuǎn)。
11. 一種存儲器電路，其中，如權(quán)利要求1到10中任何一個(gè)所 述的晶體管是存儲單元。
12. 如權(quán)利要求11所述的存儲器電路，其中所述晶體管的第二 非磁性電極層連接到字線，所述晶體管的第三非磁性電極層連接到 位線，所述位線通過負(fù)載連接到電源，以及所述晶體管的第一非磁 性電極層接地。
13. —種晶體管，它包括通過自旋濾波效應(yīng)注入自旋偏振熱載 流子的自旋注入器和通過自旋濾波效應(yīng)選擇所述注入的自旋偏振熱 載流子的自旋分析器，其中所述自旋注入器和所述自旋分析器中至少任何一個(gè)包括由 鐵磁物質(zhì)制成的阻擋層。
14. 一種晶體管，它包括通過自旋濾波效應(yīng)注入自旋偏振載流 子的自旋注入器和通過自旋濾波效應(yīng)選擇所述注入的自旋偏振載流 子的自旋分析器，其中所述自旋注入器和所述自旋分析器中至少任何一個(gè)包括由 鐵磁物質(zhì)制成的阻擋層。
全文摘要
一種自旋晶體管包括自旋注入器和自旋分析器，所述自旋注入器用于把載流子作為熱載流子從第一非磁性電極注入第二非磁性電極層，所述載流子的自旋平行于構(gòu)成第一鐵磁阻擋層的能帶邊緣的自旋能帶，所述自旋分析器用于通過第二鐵磁阻擋層的能帶邊緣上的自旋分裂，當(dāng)注入第二非磁性電極的自旋偏振熱載流子的自旋方向平行于第二鐵磁阻擋層的能帶邊緣上的自旋能帶的自旋方向時(shí)，把熱載流子導(dǎo)通到第三非磁性電極，并且當(dāng)所述自旋偏振熱載流子的自旋方向與注入所述第二磁性電極的自旋方向反平行時(shí)，不把所述熱載流子導(dǎo)通到第三非磁性電極。還提供一種利用所述自旋晶體管的存儲裝置。
文檔編號H01L29/66GK101202302SQ20071016969
公開日2008年6月18日 申請日期2003年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月25日
發(fā)明者田中雅明, 菅原聰 申請人:科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)