[發明專利]一種雙柵自旋場效應晶體管

無效

• 申請號: 201310010499.X
• 申請日: 2013-01-11
• 公開（公告）號: CN103077965A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: 王偉;張華鑫;王燕
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H01L29/66
• 分類號: H01L29/66;H01L29/10
• 代理公司: 江蘇愛信律師事務所 32241
• 代理人: 唐小紅

技術領域

本發明涉及納米自旋場效應管領域，尤其是對彈道輸運、散射輸運時器件的性能的對比。?

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背景技術

電子除了攜帶電荷之外,?還有另一個重要內稟屬性:?自旋。但長期以來，僅僅利用了電子的電荷這一稟性,?自旋這個重要屬性卻常常被忽略。自旋這一新的自由度的加入，豐富了研究內容，為大量新型量子器件的誕生提供了新的源泉。?

電子的自旋通常有兩種取向:自旋向上和自旋向下。在傳統的金屬電子學中，因為在非磁性的金屬中，自旋向上和自旋向下的電子數是相等的，此時自旋極化率為0，被稱為電子自旋簡并，所以不存在凈磁矩，因此無法利用自旋來實現各種功能，正是由于這個原因，電子的自旋屬性被長期忽略，導致在大多數應用中沒有被加以應用。而在磁性的金屬中，由于存在交換作用，不同的自旋取向的兩個子帶產生一定的相對位移，即交換劈裂，因此此時的自旋極化率不再為0。因為半金屬鐵磁(HMF)的自旋極化率很高，所以HMF常常被作為自旋注入的材料。?

1990年Datta和Das?首次提出了利用電子自旋特性的新型電子器件——自旋場效應晶體管（spinFET），Datta和Das提出的spinFET是一個分水嶺，是第一次利用自旋這個自由度以容易處理的方法來處理信息。從此人們開始對自旋電子器件給予廣泛的關注。其基本結構是由一個電子自旋的高遷移率晶體管組成，它主要是準一維體系下研究電子的自旋輸運。兩端分別為源極和漏極，源極和漏極是由鐵磁材料構成，分別作為spinFET的自旋極化端和檢測段。源極與漏極之間是一個由門電壓控制的狹窄的半導體溝道。自旋極化電子由源極進入半導體的入射方向與傳輸的方向是平行的，電子在通過溝道時，其自旋極化方向在運動的過程中是不斷變化的，因此由于柵壓的作用，電子到達漏極時自旋的方向有可能已經發生了翻轉或者進動。柵壓會產生一個磁場，這個磁場是由Rashba?自旋軌道相互作用產生的，它的方向與外加電場的方向以及電子運動的方向都垂直，通過調節外加柵壓可以控制Rashba?自旋軌道耦合的強度α，進而可以控制電子在溝道里進動的角度，電子最終以一定的概率進入漏極（取決于進動的角度），因此通過改變柵壓的方法可以調節源極到漏極間自旋電流的大小。由Datta和Das所提出的spinFET的原理可以看出，要想實現spinFET首先需要自旋的有效注入和探測。Datta和Das提出的這個模型要求的條件比較苛刻，比如：較長的自旋馳豫時間、較高的鐵磁體到半導體的自旋注入效率以及門電壓控制的Rashba自旋軌道耦合強度等[S.?Datta,?B.?Das?.Electronic?analog?of?the?electro-optic?modulator[J].?Appl.?Phys.?Lett,?1990;?56:?665-667.]。后來提出的很多自旋晶體管都是在此基礎上產生的。?

英國劍橋大學的J?rg?Wunderlich和美國得克薩斯A&M大學物理學家的Jairo?Sinova等人研制出了首個能在高溫條件下工作的spinFET，這個突破必將為整個半導體納米電子學帶來新氣象[J?rg?Wunderlich,?Byong-Guk?Park,?Jairo?Sinova,?etal.?Spin?Hall?effect?transistor[J].?Science?,?2010;?330?(6012):?1801-1804.]。?

電子具有波粒二象性，當在量子力學的范疇里，電子可以被看作一個波。在彈道輸運里，左右電極看作理想的吸收器，從兩極注入的電子不會再返回器件里，而且滿足相位相干的條件。在散射輸運里，由于散射的作用，電子的波函數不再相位相干，此時非平衡格林函數的方法常常被用于此計算。?

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發明內容

技術問題：?本發明提出了一種雙柵的自旋場效應晶體管結構。由于目前國內外對spinFET的仿真還處于起步階段，且目前很少有文獻涉及這類場效應管電學特性的研究，為揭示納米尺度該類器件的量子輸運特性，本發明在非平衡格林函數(NEGF)框架下，對該器件的電學特性進行了數值模擬，分別在彈道輸運和散射輸運去情況下計算它們能級分布、I-V特性、磁阻比率等電學特性，并把散射輸運和彈道輸運的電學特性進行了比較分析。本發明對揭示該spinFET的輸運物理機制、改善spinFET器件結構性能提供理論依據。?