本发明专利技术公开了一种新型沟道为硅的一种双栅自旋场效应晶体管，该场效应管包括：位于同一轴线上的半金属铁磁（1）、自旋随机层（2）、隧穿氧化层（3）、导电沟道（4）、源极（S）和漏极（D），位于半金属铁磁（1）、自旋随机层（2）、隧穿氧化层（3）、导电沟道（4）外周的栅氧化层（5）、金属栅（6）和栅极（G）；分别在铁磁平行与反平行的情况下，对两种输运下的输出特性、转移特性等电学特性对比分析，发现该器件拥有很高的磁阻比率，并且在铁磁平行条件下，考虑自旋散射时的输出电流要比不考虑自旋散射时的输出电流小，而在铁磁反平行的条件下，结果则与铁磁平行时的结果相反。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及纳米自旋场效应管领域，尤其是对弹道输运、散射输运时器件的性能的对比。
技术介绍
电子除了携带电荷之外，还有另一个重要内禀属性:自旋。但长期以来，仅仅利用了电子的电荷这一禀性，自旋这个重要属性却常常被忽略。自旋这一新的自由度的加入，丰富了研究内容，为大量新型量子器件的诞生提供了新的源泉。电子的自旋通常有两种取向:自旋向上和自旋向下。在传统的金属电子学中，因为在非磁性的金属中，自旋向上和自旋向下的电子数是相等的，此时自旋极化率为O，被称为电子自旋简并，所以不存在净磁矩，因此无法利用自旋来实现各种功能，正是由于这个原因，电子的自旋属性被长期忽略，导致在大多数应用中没有被加以应用。而在磁性的金属中，由于存在交换作用，不同的自旋取向的两个子带产生一定的相对位移，即交换劈裂，因此此时的自旋极化率不再为O。因为半金属铁磁(HMF)的自旋极化率很高，所以HMF常常被作为自旋注入的材料。1990年Datta和Das首次提出了利用电子自旋特性的新型电子器件——自旋场效应晶体管(spinFET)，Datta和Das提出的spinFET是一个分水岭，是第一次利用自旋这个自由度以容易处理的方法来处理信息。从此人们开始对自旋电子器件给予广泛的关注。其基本结构是由一个电子自旋的高迁移率晶体管组成，它主要是准一维体系下研究电子的自旋输运。两端分别为源极和漏极，源极和漏极是由铁磁材料构成，分别作为spinFET的自旋极化端和检测段。源极与漏极之间是一个由门电压控制的狭窄的半导体沟道。自旋极化电子由源极进入半导体的入射方向与传输的方向是平行的，电子在通过沟道时，其自旋极化方向在运动的过程中是不断变化的，因此由于栅压的作用，电子到达漏极时自旋的方向有可能已经发生了翻转或者进动。栅压会产生一个磁场，这个磁场是由Rashba自旋轨道相互作用产生的，它的方向与外加电场的方向以及电子运动的方向都垂直，通过调节外加栅压可以控制Rashba自旋轨道耦合的强度α，进而可以控制电子在沟道里进动的角度，电子最终以一定的概率进入漏极(取决于进动的角度)，因此通过改变栅压的方法可以调节源极到漏极间自旋电流的大小。由Datta和Das所提出的spinFET的原理可以看出，要想实现spinFET首先需要自旋的有效注入和探测。Datta和Das提出的这个模型要求的条件比较苛刻，比如:较长的自旋驰豫时间、较高的铁磁体到半导体的自旋注入效率以及门电压控制的 Rashba 自旋轨道稱合强度等[S.Datta, B.Das.Electronic analog of theelectro-optic modulator [J].App1.Phys.Lett, 1990; 56: 665-667.]。后来提出的很多自旋晶体管都是在此基础上产生的。英国剑桥大学的J5rg Wunderlich和美国得克萨斯A&M大学物理学家的JairoSinova等人研制出了首个能在高温条件下工作的spinFET,这个突破必将为整个半导体纳米电子学带来新气象[Jorg Wunderlich, Byong-Guk Park, Jairo Sinova, etal.SpinHall effect transistor[J].Science , 2010; 330 (6012): 1801-1804.]。电子具有波粒二象性，当在量子力学的范畴里，电子可以被看作一个波。在弹道输运里，左右电极看作理想的吸收器，从两极注入的电子不会再返回器件里，而且满足相位相干的条件。在散射输运里，由于散射的作用，电子的波函数不再相位相干，此时非平衡格林函数的方法常常被用于此计算。
技术实现思路
技术问题:本专利技术提出了一种双栅的自旋场效应晶体管结构。由于目前国内外对spinFET的仿真还处于起步阶段，且目前很少有文献涉及这类场效应管电学特性的研究，为揭示纳米尺度该类器件的量子输运特性，本专利技术在非平衡格林函数(NEGF)框架下，对该器件的电学特性进行了数值模拟，分别在弹道输运和散射输运去情况下计算它们能级分布、1-V特性、磁阻比率等电学特性，并把散射输运和弹道输运的电学特性进行了比较分析。本专利技术对揭示该spinFET的输运物理机制、改善spinFET器件结构性能提供理论依据。技术方案:在Datta和Das所提出spinFET的理论基础上，并结合了最近国内外对spinFET的研究最新进展例如奥地利维也纳工业大学微电子研究所的D.0sintsev等人研究InAs/Si自旋场效应管时发现，如果温度不变，栅压会改变自旋轨道耦合强度，进而影响隧穿磁电阻；如果栅压不变，随着温度的增加，隧穿磁电阻会急剧减小[Hyun CheolKoo, Jonghwa Eom, Joonyeon Chang, Suk-Hee Han.A spin field effect transistorusing stray magnetic fields [J].Solid-State Electronics,53 (2009):1016 - 1019.];韩国科学技术研究所的Hyun Cheol Koo等人提出了使用杂散磁场产生的一种新型spinFET,这种spinFET自旋极化电子是通过源极的塞曼分列效应产生的，自旋的选择性传输是通过漏极的自旋过滤效果获得[D.0sintsev, V.Sverdlov, A.Makarov, andS.Selberherr.Ballistic Transport Properties of Spin Field-Effect TransistorsBuilt on Silicon and InAs Fins, the Electrochemical[J].Society, 2011, I (29):155-162.];解放军理工大学的杨军等人发现自旋场效应管的电导具有很好的开关特性，在有磁场时也呈现出明显的磁开关特性[杨军，蒋开明，葛传楠，张俊男.自旋场效应晶体管的原理和研究进展[J].物理与工程，2009,(04).];华南理工大学的肖运昌通过研究界面势垒对电子透射率振荡变化的影响，发现一定角度入射的电子依然可以在半导体内形成共振隧穿，从而达到较强的透射情况，而电子的不同入射角度可以显著影响其自旋输运过程，在大于临界角时，电子透射率呈现为衰减传输的模式[肖运昌.扩展型Datta-Das自旋场效应管量子输运的理论研究[D].华南理工大学，2011.]。本专利技术的一种双栅自旋场效应晶体管包括:位于同一轴线上的半金属铁磁、自旋随机层、隧穿氧化层、导电沟道、源极和漏极，位于半金属铁磁、自旋随机层、隧穿氧化层、导电沟道外周的栅氧化层、金属栅和栅极；该场效应晶体管是一种双栅结构，其中用硅作为导电沟道，该导电沟道位于中间，在导电沟道的两旁为隧穿氧化层，在隧穿氧化层的两旁为自旋随机层，在自旋随机层的两旁为半金属铁磁，在半金属铁磁的两旁分别为源极和漏极；栅氧化层环绕在半金属铁磁、自旋随机层、隧穿氧化层、导电沟道外周，金属栅位于栅氧化层的外周，栅极位于金属栅上。导电沟道和金属栅的长度相等；所述的源极和漏极均由导电金属制作；导电沟道由硅构成；隧穿氧化层、栅氧化层由氧化镁构成。有益效果:基于量子力学非平衡格林函数方法，首本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种双栅自旋场效应晶体管，其特征在于该场效应管包括：位于同一轴线上的半金属铁磁（1）、自旋随机层（2）、隧穿氧化层（3）、导电沟道（4）、源极（S）和漏极（D），位于半金属铁磁（1）、自旋随机层（2）、隧穿氧化层（3）、导电沟道（4）外周的栅氧化层（5）、金属栅（6）和栅极（G）；该场效应晶体管是一种双栅结构，其中用硅作为导电沟道（4），该导电沟道（4）位于中间，在导电沟道（4）的两旁为隧穿氧化层（3），在隧穿氧化层（3）的两旁为自旋随机层（2），在自旋随机层（2）的两旁为半金属铁磁（1），在半金属铁磁（1）的两旁分别为源极（S）和漏极（D）；栅氧化层（5）环绕在半金属铁磁（1）、自旋随机层（2）、隧穿氧化层（3）、导电沟道（4）外周，金属栅（6）位于栅氧化层（5）的外周，栅极（G）位于金属栅（6）上。
【技术特征摘要】
1.一种双栅自旋场效应晶体管，其特征在于该场效应管包括:位于同一轴线上的半金属铁磁(I)、自旋随机层(2)、隧穿氧化层(3)、导电沟道(4)、源极(S)和漏极(D)，位于半金属铁磁(I)、自旋随机层(2)、隧穿氧化层(3)、导电沟道(4)外周的栅氧化层(5)、金属栅(6)和栅极(G);该场效应晶体管是一种双栅结构，其中用硅作为导电沟道(4)，该导电沟道(4 )位于中间，在导电沟道(4 )的两旁为隧穿氧化层(3 )，在隧穿氧化层(3 )的两旁为自旋随机层(2)，在自旋...
【专利技术属性】
技术研发人员：王伟，张华鑫，王燕，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：
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