[發明專利]一種線性摻雜的自旋場效應管

無效

• 申請號: 201310040690.9
• 申請日: 2013-02-03
• 公開（公告）號: CN103094327A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發明（設計）人: 王偉;王燕;張華鑫
• 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

本發明涉及自旋場效應管領域，尤其是涉及線性摻雜結構的自旋場效應管。?

背景技術

除了電荷以外，電子的另外一個屬性是自旋。傳統的半導體器件只利用了電子的電荷特性而自旋特性被忽略。目前由于半導體器件的尺寸的發展將接近極限，而自旋電子學?(Spintronics)是在傳統半導體器件的基礎上進一步考慮自旋這一新的特性，利用電子自旋來控制電子。利用自旋電子學來研制新的電子器件，成為一個新興的學科。?

1990年，Datta和Das首次提出了自旋場效應晶體管，它是由鐵磁/半導體/鐵磁組成的類似三明治的結構。G.Schmidt研究出由于鐵磁和半導體的電導不匹配，使得自旋注入率不高。E.Rashba和A.Fert等人指出在鐵磁和半導體之間加一勢壘,如果勢壘足夠高的話，可提高自旋電子的注入率^[3]。Bruno和Pareek用緊束縛近似的方法對自旋場效應晶體管進行了模擬計算，模擬了Rashba自旋-軌道耦合的二維電子氣中的自旋相干特性。Matsuyama等人對鐵磁/砷化銦/鐵磁器件中彈道自旋輸運和自旋干擾的模擬計算。除了上述的自旋場效應晶體管外，人們還提出了其他類型的自旋場效應晶體管。Ciuti等人在源極和漏極是非磁性的,柵極是由兩個串聯的鐵磁組成，而這兩個串聯的鐵磁的磁化方向的取向能夠引起磁阻效應。?

本文在Y.?Gao和T.?Low的基礎上^[7]?,采用彈道輸運模型來研究自旋場效應晶體管(spin-FET)的電流特性，該模型采用二維非平衡格林函數（NEGF）和泊松（Poisson）方程對spin-FET參數進行自洽求解。利用這個模型，研究了spin-FET的輸運特性，并與LDD和線性摻雜的spin-FET輸運特性進行了對比。結合器件的工作原理，研究了器件在不同的Si溝道摻雜下的轉移特性曲線，對影響器件性能的參數進行了驗證。為spin-FET能夠投入到實際的應用提供了理論的模型。?

發明內容

技術問題：?本發明的目的是針對傳統納米器件因短溝道效應和其他一系列副效應而引起的器件性能下降問題，提供一種線性摻雜的自旋場效應管，使得器件抑制熱載流子效應的能力也增強。能夠獲得較高的磁電流比，這使得線性摻雜自旋場效應管在集成電路中的應用稱為可能。?

技術方案：本發明受硅基橫向溝道工程的啟發，將用于改善傳統MOSFET性能的摻雜結構引入自旋場效應管中，包括梯度摻雜結構?[周海亮,?池雅慶,?張民選.?基于梯度摻雜策略的碳納米管場效應管性能優化[J].?物理學報,?2010,?59(11):?8105-8111.]、輕漏摻雜結構?[OGURA?S,?TSANG?P?J,?WALKER?W?W,?et?al.?Design?and?characteristics?of?the?lightly?doped?drain-source?(LDD)?insulated?gate?field-effect?transistor[J].?IEEE?Trans?Electron?Devices,?1980,?15(4):?1359-1367.]和線性摻雜結構[張盛東，韓汝琦.漂移區為線性摻雜的高壓薄膜SOI器件的研制[J].電子學報，2001，29(2):1-3]。由于輕摻雜漏極結構可以有效地抑制器件的熱載流子效應，線性摻雜結構可以有效抑制短溝道效應(如閾值電壓漂移，漏致勢壘降低效應)。基于上述考慮，本發明提出了在溝道進行線性摻雜。由于目前自旋場效應管的仿真還處于起步階段，且目前很少有文獻涉及這類摻雜結構的自旋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，通過自洽求解泊松方程和薛定諤方程，對不同摻雜結構的自旋場效應管的電學特性進行了數值模擬，并給出了相應的性能比較。本發明對揭示自旋場效應管的輸運物理機制、改善自旋場效應管器件結構性能提供理論依據。?

本發明的線性摻雜的自旋場效應管是一種雙柵結構，其中用半導體材料硅作為導電溝道，溝道與兩個柵電極間用同種電介質材料填充，且兩個柵電極以溝道為中心形成對稱結構；該場效應管的源區和漏區為半金屬鐵磁，在硅溝道與源區和漏區之間有一層自旋隨機層和隧穿氧化層，且在硅溝道有一個線性摻雜結構，即在溝道中摻雜濃度隨著溝道長度而線性變化；?其中為溝道的摻雜濃度，為溝道的長度，為開始的溝道摻雜濃度，為摻雜線性變化的系數，溝道中摻雜的濃度隨著溝道長度的增加而增大。?