基于多铁性反铁磁体中的压控磁振子传输的自旋晶体管制造技术

提供了压控自旋场效应晶体管(“自旋晶体管”)及其在切换应用中的使用方法。在自旋晶体管中，自旋电流经由磁振子传播通过多铁性反铁磁通道从自旋注入触点传输到自旋检测触点。自旋电流传输通过施加增加多铁性反铁磁材料的畴边界数量的栅极电压来调制。畴边界数量的栅极电压来调制。畴边界数量的栅极电压来调制。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于多铁性反铁磁体中的压控磁振子传输的自旋晶体管
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年3月5日提交的美国非临时专利申请号16/809,970的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。
[0003]政府权利声明
[0004]本专利技术是依据由ARMY/ARO授予的W911NF
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0462和由国家科学基金会授予的1629270在政府支持下完成的。政府对本专利技术享有一定的权利。

技术介绍

[0005]自旋场效应晶体管调节通过自旋通道从自旋注入器传送到自旋检测器的自旋电流，该自旋通道经由磁振子传播传送自旋电流。由此，自旋场效应晶体管可以被视为常规场效应晶体管的自旋电子学模拟。自旋场效应晶体管与常规晶体管相比具有几个优势，包括更低的功耗、更快的开关速度和非易失性。
[0006]自从Das和Datta提出第一个自旋场效应晶体管以来，已经提出了几种自旋场效应晶体管设计。(S.Datta、B.Das等人，Appl.Phys.Lett.56 665(1990))。这些包括自旋场效应晶体管的最近的示例，其使用铁磁或反铁磁绝缘体作为自旋通道材料。(Lebrun，R.等人，“Tunable long
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distance spin transport in a crystalline antiferromagnetic iron oxide”Nature 561.7722(2018):222
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225)。在这些晶体管中，通道中的磁振子传输是使用大磁场控制的，这使得晶体管难以按比例缩小到实际的维度。

技术实现思路

[0007]提供了压控自旋晶体管和操作该自旋晶体管的方法。
[0008]压控自旋晶体管的一个实施例包括：自旋注入器触点；自旋检测器触点；在自旋注入器触点和自旋检测器触点之间形成通道的多铁性材料层；至少一个顶栅极触点；以及至少一个底栅极触点，其中所述至少一个顶栅极触点和所述至少一个底栅极触点被配置为跨通道施加栅极电压。
[0009]操作本文所述类型的自旋晶体管的方法的一个实施例包括以下步骤：在自旋注入器触点中产生自旋电流，由此将自旋电流注入到通道中并经由磁振子传播通过通道传输到自旋检测器触点；以及跨通道施加栅极电压，其中栅极电压的施加增加了通道中畴边界的密度并衰减了通过通道的自旋电流传输。然后，通过跨通道施加负电压，可以将自旋晶体管切换回其高自旋电流传输状态。
[0010]在阅读以下附图、详细描述和所附权利要求后，本专利技术的其它主要特征和优点对于本领域技术人员将变得清楚。
附图说明
[0011]以下将参考附图描述本专利技术的说明性实施例，其中相同的标号表示相同的元件。
[0012]图1是处于导通状态(上图)和关断状态(下图)的压控自旋晶体管的示意图。
[0013]图2是压控自旋晶体管的示意图，示出了通过多铁性反铁磁通道(背栅极触点未显示)的磁振子传输。
[0014]图3A：显示STO基板、SRO缓冲层和BFO薄膜的(103)衍射峰的倒易空间图。图3B和图3C：600nm厚的BFO薄膜的平面外(图3B)和平面内(图3C)压电显微镜图像，其中扫描区域的最左侧部分处于原生(as
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grown)畴状态，并且其余区域已切换到向上状态。两个畴之间存在畴壁。两个畴的平面内分量是相同的。
[0015]图4A和图4B：[110]错切STO(001)上的BFO(001)薄膜(图4A)和TSO(011)
o
上的BFO(111)薄膜(图4B)的NXMS图像。两个图像都显示了两个峰，沿着单个传播向量的每个方向都有一个峰，证明了两种膜的单畴性质。
[0016]图5A是NiFe/BiFeO3/SrRuO3三层结构的示意图。
[0017]图5B示出了作为图5A的三层结构的BiFeO3层厚度的函数的有效自旋扭矩比。
具体实施方式
[0018]提供了自旋场效应晶体管。在自旋晶体管中，通过多铁性反铁磁通道的自旋电流传输由栅极电压的施加来控制，栅极电压会改变通道的畴结构并衰减自旋电流传输。使用电压而不是强磁场来调制自旋电流使晶体管高效、可扩展且易于与现有集成电路制造方案集成。
[0019]压控自旋场效应晶体管(也简称为自旋晶体管)的一个实施例示意性地在图1中示出。自旋晶体管包括自旋注入器触点102、自旋检测器触点104和为自旋电流从自旋注入器触点102转移到自旋检测器触点104提供路径的通道106。晶体管还包括顶栅极触点108和底栅极触点110，它们被配置为跨通道106(即，通过通道106的厚度)施加栅极电压。顶栅极触点和底栅极触点被配置为跨通道106施加栅极电压，前提是它们相对于通道和彼此以使得能够跨通道施加电压的方式定位。作为说明，顶栅极触点108和底栅极触点110可以分别定位在通道106的顶表面和底表面上，如图1中所示。自旋晶体管通常还将包括基板112。在图1的自旋晶体管中，使用了单个顶栅极触点和单个底栅极触点。但是，在其它实施例中，多个顶栅极触点可以与单个底栅极触点或多个底栅极触点一起使用。
[0020]在本文所述的压控自旋晶体管中，通道由具有反铁磁序和铁电序(order)两者的多铁性材料层提供。在初始“导通”状态下，通道的多铁性材料具有低畴密度，并且更优选地，是具有单个电极化畴(由向下箭头表示)的单畴多铁性材料。如本文所使用的，术语“单畴多铁性”是指具有均匀N
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el向量(一个反铁磁畴)和极化向量(一个铁电畴)的多铁性材料。因为难以生长完全为单畴的多铁性材料层，因此为了本公开的目的，如果多铁性材料的至少95％，更优选地至少98％或至少99％处于单个铁弹性、铁电和磁畴中，那么该材料可以被认为是单畴材料。
[0021]如图1的上图中所示，在单畴状态下，材料的电极化在整个通道中以相同的方向定向，并且材料具有有着单个摆线磁极性的基本上的单个磁畴。在该初始状态下，由于畴边界的低密度或完全不存在，从自旋注入器触点注入到通道中的自旋电流能够经由磁振子传播通过多铁性材料流到自旋检测器触点。当跨通道施加栅极电压时，在通道区域中经受栅极电压118的多铁性材料的电极化被切换，并且由于多铁性材料中的铁电序和反铁磁序之间的磁电耦合，磁极性也被切换。如图1的下图中所示，这种铁电切换在顶栅极触点和底栅极
触点之间的通道中创建其中极化被切换并形成新的畴边界的区域。因此，栅极电压的施加增加了通道中畴边界的密度，这导致通过通道的自旋电流传输衰减。如果多铁性材料最初是单畴材料，那么铁电切换将单畴多铁性材料转换成多畴多铁性材料。自旋电流的衰减将自旋晶体管从“导通”状态切换到“关断”状态。
[0022]不旨在受限于本专利技术的任何特定理论，本专利技术人相信自旋电流传输中的衰减可以至少部分归因于，由于铁电序的切换而在通道内形成的畴边界处的自旋电流散射。在自旋晶体管的一些实施例中，可以通过使用沿着晶体管通道的长度分布的多个(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种压控自旋晶体管，包括：自旋注入器触点；自旋检测器触点；在自旋注入器触点和自旋检测器触点之间形成通道的多铁性材料层；至少一个顶栅极触点；以及至少一个底栅极触点，其中所述至少一个顶栅极触点和所述至少一个底栅极触点被配置为跨通道施加栅极电压。2.如权利要求1所述的自旋晶体管，其中所述多铁性材料是单畴多铁性材料。3.如权利要求1所述的自旋晶体管，其中所述多铁性材料是BiFeO3。4.如权利要求3所述的自旋晶体管，其中所述BiFeO3是(001)朝向的BiFeO3。5.如权利要求3所述的自旋晶体管，其中所述BiFeO3是(111)朝向的BiFeO3。6.如权利要求3所述的自旋晶体管，其中所述BiFeO3是单畴多铁性BiFeO3。7.如权利要求1所述的自旋晶体管，其中所述顶栅极触点和所述底栅极触点包括重金属、二维电子气体、4d过渡金属氧化物、5d过渡金属氧化物或拓扑绝缘体。8.如权利要求1所述的自旋晶体管，其中所述底栅极触点包括导电钙钛矿氧化物。9.如权利要求6所述的自旋晶体管，其中所述底栅极触点包括SrRuO3或LaSrMO3，并且所述顶栅极触点包括金属。10.如权利要求9所述的自旋晶体管，其中所述底栅极触点包括SrRuO3，并且所述顶栅极电极包括重金属。11.一种操作自旋晶体管的方法，所述自旋晶体管包括：自旋注入器触点；自旋检测器触点；在自旋注入器触点和自旋检测器触点之间形成通道的多...

【专利技术属性】
技术研发人员：CB，
申请(专利权)人：威斯康星州男校友研究基金会，
类型：发明
国别省市：