DE102010000904B4

DE102010000904B4 - Spin-Bauelement

Info

Publication number: DE102010000904B4
Application number: DE102010000904.0A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Poeppel; Werner Robl; Hans-Joerg Timme
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2010-01-14
Publication date: 2017-04-20
Anticipated expiration: 2030-01-15
Also published as: US7974120B2; US20100188905A1; DE102010000904A1

Abstract

Spin-Bauelement (100; 100'; 100''), das folgende Merkmale aufweist: eine Zwischenhalbleiterregion (120), die zwischen einem ersten Anschluss (130) und einem zweiten Anschluss (140) angeordnet ist, wobei der erste Anschluss angepasst ist, um einen Strom mit einem ersten Grad einer Spin-Polarisation an die Zwischenhalbleiterregion zu liefern, wobei der zweite Anschluss angepasst ist, um den Strom nach Durchlaufen der Zwischenhalbleiterregion mit einem zweiten Grad einer Spin-Polarisation auszugeben; eine spinselektive Streustruktur (170), die an die Zwischenhalbleiterregion (120) angrenzt, wobei die spinselektive Streustruktur derart angepasst ist, dass der erste Grad einer Spin-Polarisation zu dem zweiten Grad einer Spin-Polarisation verändert wird; und eine Steuerelektrode (190), die elektrisch von der Zwischenhalbleiterregion (120) isoliert und angepasst ist, um ein elektrisches Feld an die Zwischenhalbleiterregion (120) anzulegen, um einen Betrag des Stroms zu steuern, wobei das elektrische Feld eine Hauptfeldkomponente senkrecht zu einer Richtung des Stroms durch die Zwischenhalbleiterregion aufweist; wobei die spinselektive Streustruktur (170) eine ferromagnetische Schicht und eine isolierende Schicht aufweist, wobei die ferromagnetische Schicht auf der isolierenden Schicht gebildet ist, wobei die isolierende Schicht an die Zwischenhalbleiterregion (120) angrenzend gebildet ist; wobei die isolierende Schicht eine keilförmige Dicke aufweist.

Description

In der herkömmlichen Elektrotechnik sowie in herkömmlichen elektrischen und elektronischen Bauelementen ist die physikalische Hauptgröße von Ladungsträgern, die verwendet wird, deren elektrische Ladung. Das Verhalten der Ladungsträger, wie zum Beispiel von Elektronen, Löchern oder anderen Quasiteilchenanregungen, in diesen Bauelementen wird hauptsächlich durch elektrische Felder beeinflusst, wie zum Beispiel durch Anlegen einer Spannung oder durch ein Magnetfeld, das mit sich bewegenden Ladungsträgern mittels der Lorentz-Kraft in Wechselwirkung steht.
Ladungsträger weisen jedoch oft weitere physikalische Größen auf, die im Rahmen geeigneter Bauelemente ausgenutzt werden können. Da eine derartige weitere physikalische Eigenschaft der Ladungsträger abgesehen von ihrer elektrischen Ladung zusätzlich eingesetzt werden kann, kann für den Entwurf und Aufbau neuartiger Bauelemente ein weiterer Grad einer Wechselwirkung mit den Ladungsträgern verwendet werden.
Eine derartige zusätzliche physikalische Größe ist der Spin von Ladungsträgern, der eine quantenphysikalische Eigenschaft von Elektronen, Löchern und anderen Quasiteilchenanregungen ist.
Um jedoch Bauelemente zu erzeugen, die physikalische Effekte auf Spin-Basis ausnutzen, sind eine Quelle von zumindest teilweise spinpolarisierten Strömen oder Ladungsträgern sowie ein Detektor zum Erfassen des Spin-Zustands von Ladungsträgern oder eines Stroms von Ladungsträgern erforderlich, um Wechselwirkungen mit dieser physikalischen Größe bereitzustellen und/oder zu erfassen. Natürlich sollte eine derartige Quelle oder ein derartige Detektor auch mit der zu Grunde liegenden Technologie kompatibel sein.
Während ein breiter Bereich metallischer Elemente, Verbindungen und Materialien existiert, der eingesetzt werden könnte, um einen zumindest teilweise spinpolarisierten Strom bereitzustellen oder zu erfassen, sind, insbesondere auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie, eine derartige Quelle für einen zumindest teilweise spinpolarisierten Strom oder ein geeigneter Detektor noch immer nicht in zufrieden stellender Weise implementiert. In metallischen Systemen könnten ferromagnetische Metalle, Verbindungen oder Element, wie zum Beispiel Eisen (Fe), Kobalt (Co) oder Nickel (Ni), verwendet werden. In Halbleitersystemen und -bauelementen jedoch ist dieser Bedarf noch nicht befriedigt.
Die DE 60 2006 000 836 T2 zeigt eine Leitungssteuerungsanordnung mit einer ferromagnetischen Schicht, die zwischen einer Isolierschicht und einer Abdeckungsschicht angeordnet ist.
Die DE 20 2005 012 932 U1 zeigt einen organischen Spin-Transistor, der eine aktive organische Schicht, eine isolierende Schicht und eine Gate-Elektrode aufweist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Spin-Bauelement oder ein Verfahren zum Bereitstellen eines Stroms mit einem zweiten Grad einer Spinpolarisation basierend auf einem Strom mit einem ersten Grad einer Spinpolarisation mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1a eine Querschnittsansicht eines Spin-Bauelements gemäß einem Beispiel;
1b eine Querschnittsansicht eines Spin-Bauelements gemäß einem weiteren Beispiel;
2a eine Draufsicht eines Spin-Bauelements gemäß einem Beispiel;
2b eine Querschnittsansicht des in 2a gezeigten Spin-Bauelements;
3 eine Querschnittsansicht eines Spin-Bauelements gemäß einem weiteren Beispiel;
4a und 4b die Funktionsprinzipien einer spinselektiven Streustruktur, wie sie in Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
5a eine Querschnittsansicht eines Spin-Bauelements gemäß einem Beispiel;
5b eine Querschnittsansicht eines Spin-Bauelements gemäß einem Beispiel;
6a eine Querschnittsansicht eines Spin-Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einer Floating-Gate-Elektrode;
6b eine Querschnittsansicht eines weiteren Spin-Bauelements mit einer Floating-Gate-Elektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7a und 7b Querschnittsansichten von Spin-Bauelementen gemäß Beispiel mit getrennten Spin-Streustrukturen und Steuerelektroden;
8a und 8b Querschnittsansichten von Spin-Bauelementen gemäß einem Beispielmit einer Vorspannelektrode;
9a und 9b Querschnittsansichten eines Spin-Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einer Floating-Gate-Elektrode;
10a und 10b Querschnittsansichten von Spin-Bauelementen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung mit Floating-Gate-Elektroden und Vorspannelektroden;
11a und 11b Draufsichten eines Spin-Bauelements gemäß einem Beispiel in der Form eines lateralen Bauelements;
11c eine Querschnittsansicht entlang einer in 11b gezeigten Linie durch das Spin-Bauelement gemäß einem Beispiel;
12a eine Draufsicht zweier Spin-Bauelemente gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung in der Form lateraler Bauelemente;
12b eine Querschnittsansicht der in 12a gezeigten Bauelemente;
13a ein Spin-Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem Spin-Injektor schematisch in Perspektive;
13b ein Spin-Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit zwei Spin-Injektoren schematisch in Perspektive;
14 ein Spin-Bauelement mit Floating-Gate-Elektroden gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch in Perspektive; und
15a und 15b vereinfachte Blockdiagramme von Spin-Bauelementen gemäß Beispielen, die als Detektor zum Erfassen einer Spin-Polarisation verwendet werden.
Während in herkömmlichen elektrischen und elektronischen Bauelementen die hauptsächliche ausgenutzte physikalische Größe die elektrische Ladung ist, entstehen neuartige Bauelemente, in denen weitere physikalische Größen, wie zum Beispiel der quantenmechanische Spin, zusätzlich oder alternativ ausgenutzt werden. Während in herkömmlichen Bauelementen die Ladung von Ladungsträgern durch Anlegen elektrischer Felder (zum Beispiel durch Anlegen einer Spannung) oder durch Anlegen eines Magnetfelds, das mit einem sich bewegenden Ladungsträger mittels der Lorentz-Kraft in Wechselwirkung steht, ausgenutzt wird, erhöht ein zusätzliches Ausnutzen des quantenmechanischen Spins als weitere physikalische Größe den Freiheitsgrad einer Wechselwirkung mit den Ladungsträgern wesentlich. Der Spin eines Ladungsträgers, jedoch auch anderer nicht geladener Teilchen wird oft durch ein magnetisches Moment begleitet. Ferner kann der Spin des Ladungsträgers oder eines nicht geladenen Teilchens außerdem das statistische Verhalten der jeweiligen Teilchen beeinflussen.
Im Folgenden wird der Schwerpunkt auf geladene Teilchen oder Quasiteilchen, wie zum Beispiel Elektronen und Löcher, gelegt, die nicht nur eine Manipulation des Spins, sondern außerdem eine Wechselwirkung basierend auf ihrem geladenen Zustand, zum Beispiel durch Anlegen elektrischer oder magnetischer Felder, erlauben.
Wenn nicht nur die elektrischen Eigenschaften der Ladungsträger ausgenutzt werden, sondern auch der Spin, eröffnet dies die Möglichkeit eines Implementierens so genannter spintronischer Bauelemente oder spinelektronischer Bauelemente. Das technische Gebiet dieser Bauelemente wird manchmal als Spintronik bezeichnet.
Die Spintronik beruht jedoch auf einem Bereitstellen von Ladungsträgern mit einem zumindest teilweise spinpolarisierten Strom und auf einem Erfassen desselben. Deshalb besteht Bedarf nach Spin-Bauelementen, die in der Lage sind, einen zumindest teilweise spinpolarisierten Strom bereitzustellen, nach Spin-Bauelementen, die in der Lage sind, eine physikalische oder elektrische Eigenschaft basierend auf einer Spin-Polarisation eines Stroms zu verändern, der an ein derartiges Spin-Bauelement geliefert wird, um als Spin-Detektor zu agieren, und nach anderen spinbezogenen Bauelementen. Spin-Bauelemente gemäß der vorliegenden Erfindung können deshalb als schaltbare Spin-Injektionsbauelemente, die manchmal auch als schaltbare Spinjektoren bezeichnet werden, Spin-Speicherelemente, Spin-Steuerelemente, Spin-Detektoren und andere spinbezogene Bauelemente für zukünftige Logik- oder Speicherprodukte basierend auf Spintronik verwendet werden.
Eine selektive Spin-Injektion ist in vielen Anwendungen eine wichtige Vorbedingung für Spin-Bauelemente im Allgemeinen und für den Aufbau von Spin-Schaltungsanordnungen, die als eine neue Art elektronischer Technologie aufkommen.
Die Spin-Injektion ist heute ein Forschungsgebiet. Einige der verfügbaren Vorstellungen weisen eine Spin-Injektion mit fester Orientierung von einer metallischen magnetischen Schicht (zum Beispiel ferromagnetischen Schicht aus Eisen (Fe), Nickel (Ni) oder Kobalt (Co)) mit einer festen Orientierung, um zumindest einen kleinen Bruchteil von Elektronen mit einer bestimmten Art von Spin in eine Halbleiterstruktur zu zwingen, auf. An der Grenzfläche zwischen der metallischen Schicht und der Halbleiterregion jedoch wird die erzielbare Spin-Polarisation stark herabgesetzt. Ferner können Probleme auftreten, wenn unterschiedliche Quellen für unterschiedliche Spin-Orientierungen in enger Nähe zueinander gefordert werden.
Unter anderen Anwendungen, die im Folgenden weiter herausgestellt werden, bieten die folgenden Ausführungsbeispiele gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zum Beispiel die Möglichkeit, ohne weiteres eine selektive Spin-Injektion in halbleitenden Bauelementen zu erzielen.
Bevor die physikalischen Vorgänge und Richtungen, die zu einer Spin-Injektion führen, im Detail beschrieben werden, werden unter Bezugnahme auf die 1a bis 3 zuerst Beispiele von Spin-Bauelementen beschrieben. Spin-Bauelemente weisen eine spinselektive Streustruktur auf, wobei eine mögliche Implementierung derselben im Zusammenhang mit den 4a und 4b herausgestellt werden wird.
Es wird darauf verwiesen, dass im Folgenden ein spinpolarisierter Strom und ein zumindest teilweise spinpolarisierter Strom synonym verwendet werden. Ein spinpolarisierter Strom soll als ein Strom aufgefasst werden, bei dem sich eine relative Anzahl von Ladungsträgern mit einer ersten Spin-Orientierung von einer Anzahl von Ladungsträgern mit einer zweiten Spin-Orientierung unterscheidet, die sich von der ersten Orientierung unterscheidet. Wenn zum Beispiel zwei Drittel der Ladungsträger eines Stroms die erste Spin-Orientierung aufweisen, während nur ein Drittel der Ladungsträger des Stroms die zweite aufweist, ist die unterschiedliche Spin-Orientierung, die Spin-Polarisation oder der Grad einer Spin-Polarisation 2:1 oder 2/3.
Manchmal wird die Spin-Polarisation auch hinsichtlich einer Abweichung von einem unpolarisierten Strom ausgedrückt. Ein unpolarisierter Strom weist als ein statistischer Durchschnitt eine gleiche Anzahl von Ladungsträgern beider Spin-Orientierungen auf.
Folglich beträgt das Verhältnis der Anzahl von Ladungsträgern 1:1 oder 1/2. Deshalb kann eine Spin-Polarisation oder ein Grad einer Spin-Polarisation gleichermaßen hinsichtlich der Abweichung in Bezug auf die Spin-Polarisation eines unpolarisierten Stroms ausgedrückt werden. In dem Fall des Beispiels oben kann die Spin-Polarisation oder der Grad einer Spin-Polarisation gleichermaßen als 16,67% (= 1/6 = 2/3 – 1/2) ausgedrückt werden. Basierend auf der zweiten Definition der Spin-Polarisation weist ein vollständig spinpolarisierter Strom, bei dem alle Ladungsträger die gleiche Spin-Orientierung aufweisen, eine Spin-Polarisation von 100% (= 1 = 1 – 0) auf, während ein unpolarisierter Strom eine Spin-Polarisation von 0% (= 0 = 1/2 – 1/2) aufweist.
Um zwischen den beiden Definitionen einer Spin-Polarisation zu unterscheiden, bezieht sich im Folgenden eine Spin-Polarisation, die hinsichtlich eines Prozentsatzwerts ausgedrückt ist, auf eine Abweichung einer Spin-Polarisation in Bezug auf die Spin-Beiträge eines unpolarisierten Stroms, während eine Spin-Polarisation, die hinsichtlich eines Verhältnisses ausgedrückt ist, direkt auf die Anzahl jeweiliger Ladungsträger bezogen ist.
Ferner werden im Folgenden Bauelemente basierend auf Halbleiterimplementierungen beschrieben, es sei denn, dies ist anderweitig angegeben. Derartige Spin-Bauelemente können basierend auf Elektronen oder basierend auf Löchern als Ladungsträger implementiert sein. Deshalb kann jedes Mal, wenn auf Ladungsträger Bezug genommen wird, eine Implementierung basierend auf Elektronen oder Löchern im Prinzip gleichermaßen verwendet werden, es sei denn, dies ist anderweitig angegeben. Einige Unterschiede könnten jedoch entstehen, da Löcher und Elektronen unterschiedliche Parameter und physikalische Größen aufweisen können.
Als letzter Kommentar soll angemerkt werden, dass bei vielen Implementierungen die Ladungsträger Spin-1/2-Teilchen sind, was bedeutet, dass diese Teilchen nur zwei unterscheidbare Spin-Zustände annehmen können, die als +1/2 bzw. –1/2 bezeichnet werden. Bei einigen Bauelementen zum Beispiel kann, wenn eine spezifische Wechselwirkung (zum Beispiel Spin-Bahn-Wechselwirkung) die dominierende Wechselwirkung wird, der Spin durch eine effektive Quantenzahl, die ein Gesamtmoment anzeigt, ersetzt werden, was dazu führen könnte, dass die Ladungsträger effektive Moment-Quantenzahlen erlangen, die sich von den beiden zuvor erwähnten Zuständen unterscheiden. In den meisten Fällen jedoch ist die Annahme, dass die Ladungsträger in der Lage sind, nur die beiden zuvor erwähnten Spin-Zustände +1/2, –1/2 anzunehmen, nicht nur eine ausreichende Beschreibung für das Verständnis des elektrischen Verhaltens der Spin-Bauelemente, sondern auch eine genaue Beschreibung hinsichtlich der zu Grunde liegenden Physik.
1a zeigt eine Querschnittsansicht eines Spin-Bauelements 100 basierend auf einem Halbleitersubstrat 110. Das Substrat 110 weist eine Zwischenhalbleiterregion 120 auf, die zwischen einem ersten Anschluss 130 und einem zweiten Anschluss 140 angeordnet ist. Die Anschlüsse 130, 140 könnten zum Beispiel als Dotierungsbereiche implementiert sein. Der erste Anschluss 130 kann mit einem ersten Kontakt 150, der in 1a schematisch gezeigt ist, gekoppelt sein. Entsprechend kann der zweite Anschluss 140 in einer ähnlichen Weise mit einem zweiten Kontakt 160 gekoppelt sein.
Das Spin-Bauelement 100 weist ferner auf der Zwischenhalbleiterregion 120 und an dieselbe angrenzend eine spinselektive Streustruktur 170 auf, derart, dass eine Grenzfläche 180 zwischen der spinselektiven Streustruktur 170 und der Zwischenhalbleiterregion 120 gebildet ist. Bei dem in 1a gezeigten Spin-Bauelement ist eine Steuerelektrode 190 auf der spinselektiven Streustruktur 170 aufgebracht und erstreckt sich entlang der Querschnittsansicht aus 1a entlang der gesamten Länge der spinselektiven Streustruktur 170. Ein Steuerkontakt 200 kann mit der Steuerelektrode 190 gekoppelt sein, um einen elektrischen Kontakt der Elektrode 190 zu erlauben.
Bezüglich der Funktionsweise des Spin-Bauelements 100, wie es in 1a gezeigt ist, ist der erste Anschluss 130 angepasst, um einen Strom mit einem ersten Grad einer Spin-Polarisation an die Zwischenhalbleiterregion 120 zu liefern. Abhängig von den Umständen der Funktion und anderen Parametern kann der erste Grad einer Spin-Polarisation zum Beispiel derjenige eines unpolarisierten Stroms sein, d. h. Spin-Polarisation 1:1 oder 0%. Deshalb werden Ladungsträger des Stroms über den ersten Kontakt 130 in die Zwischenhalbleiterregion 120 injiziert. Hier stehen die Ladungsträger über die Grenzfläche 180 mit der spinselektiven Streustruktur 170 in Wechselwirkung. Folglich werden die Ladungsträger derart spinselektiv gestreut, dass sich der Grad der Spin-Polarisation des Stroms verändert. Er verändert sich in einer derartigen Weise, dass der Grad der Spin-Polarisation eines Stroms nach Durchlaufen der Zwischenhalbleiterregion 120 und bei Bereitstellung durch den zweiten Anschluss 140 einen zweiten Grad einer Spin-Polarisation aufweist, die sich typischerweise von der ersten Spin-Polarisation unterscheiden kann.
Es könnte jedoch geschehen, dass der erste Grad einer Spin-Polarisation gleich dem zweiten Grad einer Spin-Polarisation ist. Dies tritt zum Beispiel auf, wenn der Grad der Spin-Polarisation des Stroms, der an die Zwischenhalbleiterregion 120 geliefert wird, gleich einer Gleichgewichtsverteilung der Ladungsträger unter den beiden Spin-Orientierungen nach Durchlaufen der Zwischenhalbleiterregion 120 und Wechselwirkung mit der Grenzfläche 180 oder der spinselektiven Streustruktur 170 ist. Dies ist eine Situation, die zum Beispiel in dem Fall auftreten kann, dass das Spin-Bauelement 100 als Spin-Detektor wirkt.
Es soll angemerkt werden, dass der Betrag des Stroms bis auf eine gute Annäherung durch die Wechselwirkung der Ladungsträger mit der spinselektiven Streustruktur 170 nicht verändert wird. Die Verteilung der Spin-Orientierungen zwischen den beiden möglichen Spin-Orientierungen (in dem Fall eines Systems mit zwei Spin-Zuständen) oder unter der Anzahl verfügbarer Spin-Zustände wird lediglich durch die Wechselwirkung der Ladungsträger mit der selektiven Streustruktur 170 verändert. Typischerweise werden auf lange Sicht betrachtet keine Ladungsträger aus dem Strom, der zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss 130, 140 fließt, durch die spinselektive Streustruktur 170 eingefangen oder entfernt. Die Menge der transportierten Ladung und so der Betrag des Stroms werden durch die spinselektive Streustruktur 170 nicht beeinflusst.
Auf Grund spinselektiver Streuvorgänge, wie zum Beispiel Vorgänge mit einem Spin-Umdrehen, oder einer erhöhten Anzahl von Streuvorkommnissen für eine Spin-Orientierung vergleichen mit der Anzahl von Wechselwirkungen für die andere Spin-Orientierung kann dies zu der beschriebenen Veränderung der Verteilung der Ladungsträger unter den verfügbaren Spin-Zuständen führen.
Die spinselektive Streustruktur 170 kann eine elektrisch isolierende Schicht aufweisen, um zum Beispiel elektrische Kurzschlüsse oder andere ungewollte Einflüsse zwischen der spinselektiven Streustruktur 170 und der Zwischenhalbleiterregion 120 zu verhindern.
Das Spin-Bauelement 100 ist in der Lage, den Betrag des Stroms durch Anlegen eines elektrischen Feldes mit einer Hauptkomponente senkrecht zu einer Richtung 210 des Stroms durch die Zwischenhalbleiterregion 120 zu steuern. Im Folgenden werden lediglich aus Gründen der Einfachheit elektrische Felder mit einer Hauptkomponente, die senkrecht zu einer Zwischenhalbleiterregion, einer Richtung eines Stroms oder einer ähnlichen Struktur oder Richtung ist, als ein elektrisches Feld, das senkrecht zu der jeweiligen Richtung oder Struktur ist, bezeichnet. Ein elektrisches Feld, das senkrecht zu einer derartigen Struktur oder Richtung ist oder eine Hauptkomponente aufweist, die senkrecht zu einer derartigen Struktur oder Richtung ist, ist ein elektrisches Feld mit einer relevanten Komponente hinsichtlich der zu Grunde liegenden Physik. So müssen in einigen Fällen Streufelder oder andere Abweichungen von Idealbedingungen als keine Hauptkomponente aufweisend oder nicht senkrecht betrachtet werden. Elektrische Felder, die in dem Bereich von Winkeln bezüglich einer Normalen von bis zu 60°, 45°, 30° oder 10° angelegt werden, können in Abhängigkeit von der beabsichtigten Implementierung als eine senkrecht Hauptkomponente aufweisend und so als senkrecht betrachtet werden.
Abhängig von der konkreten Implementierung eines Spin-Bauelements 100 kann sich der eingesetzte physikalische Effekt unterscheiden. Das Spin-Bauelement 100 kann zum Beispiel als ein Feldeffekttransistor (FET; FET = Field Effect Transistor) implementiert sein, derart, dass der erste Anschluss 130 und der zweite Anschluss 140 als ein Source-Anschluss und ein Drain-Anschluss implementiert sein können, oder umgekehrt. In diesem Fall ist ein Kanal oder eine Kanalregion in zumindest einem Teil der Zwischenhalbleiterregion 120 gebildet, deren elektrische Eigenschaften durch das elektrische Feld gesteuert werden, das über die Steuerelektrode 190 angelegt ist, die in dem Fall eines FET auch als eine Gate-Elektrode bezeichnet werden könnte. In dem Fall einer Implementierung in der Form eines Anreicherungs-Feldeffekttransistors zum Beispiel wird durch Anlegen eines ausreichend starken elektrischen Feldes die Kanalregion zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss 130, 140 gebildet. In dem Fall eines n-Kanal-Feldeffekttransistors kann die Zwischenhalbleiterregion durch eine p-Typ-Halbleiterregion gebildet sein, während der erste und der zweite Anschluss 130, 140 als n-Typ-Regionen oder -Wannen gebildet sein können.
Natürlich kann ein Spin-Bauelement 100 basierend auf einem derartigen FET-Entwurf auch als ein Verarmungs-FET, ein p-Kanal-FET oder ein p-Kanal-Anreicherungs-FET implementiert sein. In dem Fall eines p-Kanal-Anreicherungs-FET weist die Zwischenhalbleiterregion 120 eine n-Typ-Halbleiterregion auf, in der die geeignete p-Kanal-Region durch Anlegen des jeweiligen elektrischen Feldes gebildet ist. In diesem Fall sind der erste und der zweite Anschluss 130, 140 ebenso p-Typ-Halbleiterregionen oder -wannen. Lediglich aus Gründen der Einfachheit sind Dotierungsprofile und -regionen in den Figuren nicht gezeigt.
Das Spin-Bauelement 100 kann auf der Basis unterschiedlicher Halbleiterbauelemente gebildet sein. Die Zwischenhalbleiterregion 120 zum Beispiel könnte auf einer Dünnschicht aus Halbleitermaterial basieren, die auf eine isolierende Schicht 220 aufgebracht ist, die wahlweise implementiert sein könnte, wie in 1a durch die gestrichelten Linien gezeigt ist. Eine derartige vergrabene isolierende Schicht 220 könnte zum Beispiel basierend auf den verfügbaren SOI-Techniken (SOI = Silicon an Insulator = Silizium auf Isolator) gefertigt sein. Unter den verfügbaren Techniken gibt es die SIMOX-Technik (SIMOX = Separation by Implantation of Oxygen = Trennung durch Implantieren von Sauerstoff) oder die BESOI-Technik (BESOI = Bonded Etched-Back Silicon an Insulator = gebondetes, zurückgeätztes Silizium auf Isolator), um nur zwei zu nennen. Ein derartiges Beispiel eines Spin-Bauelements wird unter Bezugnahme auf 2, die 2a und 2b umfasst, detaillierter beschrieben.
Deshalb basiert das Spin-Bauelement 100 auf der Erkenntnis, dass die Erzeugung eines spinpolarisierten Stroms oder die Erfassung eines Grads einer Spin-Polarisation in einer Halbleiterstruktur (Zwischenhalbleiterregion 120) erzielbar ist, indem eine spinselektive Streustruktur 170, die an die Zwischenhalbleiterregion 120 angrenzt, bereitgestellt wird, um letztendlich den Grad der Spin-Polarisation zu beeinflussen. Der Betrag des Stroms ist über die elektrischen Felder steuerbar, die senkrecht zu der Richtung 210 des Stroms, der von dem ersten Anschluss 130 zu dem zweiten Anschluss 140 gerichtet ist, anlegbar sind. Folglich kann ein Spin-Bauelement 100 die Möglichkeit des Bereitstellens eines spinpolarisierten Stroms oder der Erfassung eines spinpolarisierten Stroms in einer Halbleiterregion in einer gesteuerten Weise bieten.
Ein Spin-Bauelement 100 kann als ein Detektor oder ein Injektor für einen spinpolarisierten Strom eingesetzt werden. So kann ein Spin-Bauelement 100 letztendlich mit einem optischen Polarisationsfilter vergleichbar sein, das auch als ein Erzeuger für polarisiertes Licht in dem Rahmen einer Lichtquelle oder als ein Filter in dem Rahmen des Detektors verwendet werden kann. Deshalb kann ein Spin-Bauelement 100 auch als ein Filter oder Generator wirken, wie die optische Analogie zeigt. Im Gegensatz zu dem optischen Polarisationsfilter jedoch ist es ferner in der Lage, den Betrag des Stroms zu steuern.
Unter Bezugnahme auf 1a soll angemerkt werden, dass es möglich sein kann, die Erstreckung der Steuerelektrode 190 auf eine kleinere Fläche verglichen mit der Erstreckung der Steuerelektrode 190, wie sie in 1a gezeigt ist, einzuschränken. Durch Einschränken der Steuerelektrode 190 auf nur die Mittelregion direkt unterhalb des Steuerkontakts 200 zum Beispiel kann das senkrechte elektrische Feld, das in die Zwischenhalbleiterregion 120 induziert wird, eine Modifizierung der Potentiale, die in der Zwischenhalbleiterregion 120 vorliegen, erzeugen, so dass der Transport der Ladungsträger und so des Stroms beeinflusst wird.
Da der selektive Spin-Streueffekt jedoch durch eine Wechselwirkung der Ladungsträger mit der Grenzfläche 180, die zwischen der spinselektiven Streustruktur 170 und der Zwischenhalbleiterregion 120 gebildet ist, bewirkt wird, sollte eine Dicke der Zwischenhalbleiterregion 120 eingeschränkt werden, um sicherzustellen, dass eine ausreichend große Anzahl von Ladungsträgern, die zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss 130, 140 transportiert werden, mit der Grenzfläche 180 oder der spinselektiven Streustruktur 170 in Wechselwirkung steht. Eine Dicke der Zwischenhalbleiterregion 120 sollte so unter 100 nm und bei einigen Beispielen unter 10 nm liegen, es sei denn, ein physikalischer oder Entwurfsvorgang wird eingesetzt, um die Erstreckung einer wirksamen Schicht, in der der Strom von dem ersten zu dem zweiten Anschluss 130, 140 fließt, räumlich einzuschränken. In dem Fall eines Spin-Bauelements 100, das auf einem FET-Entwurf basiert, könnte dies durch Bilden des Kanals in einer räumlich eingeschränkten Schicht unterhalb der Grenzfläche 180 während des Betriebs durch Anlegen einer Spannung an die Steuerelektrode 190 erzielt werden.
Ferner kann das elektrische Feld, das zu der Bildung des Kanals führt, ferner die Ladungsträger zu der Grenzfläche 180 anziehen, um die Wechselwirkung zu erhöhen, was zu einer erhöhten Spin-Polarisation führt. Dieser Vorspanneffekt wird unten detaillierter umrissen.
Beim Entwerfen eines spezifischen Spin-Bauelements 100 kann eine Länge der Zwischenhalbleiterregion 120 und der spinselektiven Streustruktur 170 in Bezug auf die Dicke der Zwischenhalbleiterregion 120 ebenso berücksichtigt werden. Wie unten detaillierter umrissen werden wird, liegt eine typische Länge entlang der Richtung 210 der spinselektiven Streustruktur 170 in dem Bereich von etwa 200 nm und darüber. Beim Implementieren einer Zwischenhalbleiterregion 120 in dem Bereich von etwa 1 μm bis zu mehreren hundert μm (zum Beispiel 500 μm) zum Beispiel könnte ein technisch machbarer Grad einer Spin-Polarisation an dem zweiten Anschluss 140 erzielt werden. Mit anderen Worten, die Länge der spinselektiven Streustruktur 170 kann in der Größenordnung einer typischen Abmessung eines mikrostrukturierten Bauelements liegen.
Die zuvor beschriebenen Beispiele von Spin-Bauelementen könnten außerdem in einer derartigen Weise kombiniert werden, dass die Steuerelektrode 190 auf einen mittleren oder einen anderen kleineren Teil der Zwischenhalbleiterregion 120 eingeschränkt ist. In diesem Fall könnte die Zwischenhalbleiterregion 120 ferner dotierte Wannen aufweisen, so dass die Kanalfläche selbst auf einen relativ kleinen Bruchteil (zum Beispiel 20 nm bis 100 nm) der Zwischenhalbleiterregion 120 eingeschränkt ist, während sich die Grenzfläche 180 über die Länge von mehr als etwa 100 nm oder mehr als etwa 1 μm oder darüber erstreckt.
Bevor die Möglichkeiten und das allgemeine Konzept der Funktionsprinzipien von Spin-Bauelementen 100 gemäß der vorliegenden Erfindung detaillierter erläutert werden, soll aus Gründen der Vollständigkeit angemerkt werden, dass die spinselektive Streustruktur 170 typischerweise ein isolierendes Material aufweist, derart, dass die Steuerelektrode 190, wenn sie oberhalb der spinselektiven Streustruktur 170 positioniert ist, elektrisch von der Zwischenhalbleiterregion 120 isoliert ist, um Kurzschlüsse zu verhindern. Ferner kann die spinselektive Streustruktur 170 außerdem zusätzliche isolierende Schichten aufweisen, um das Risiko eines Durchbruchs oder einer Lawine beim Anlegen einer Spannung an die Steuerelektrode 190 zu reduzieren, was das elektrische Feld über eine charakteristische Schwelle für eine spinselektive Streustruktur 170 hinaus erhöhen könnte. Abhängig von der beabsichtigten Implementierung könnte es zum Beispiel ratsam sein, ein Spin-Bauelement 100 derart zu implementieren, dass die Steuerspannungen von mehr als 5 V, mehr als 10 V (zum Beispiel 15 V), mehr als 50 V oder andere Spannungen an die Steuerelektrode 190 anlegbar sind. Natürlich könnte ein Spin-Bauelement 100 auch derart implementiert sein, dass andere als die zuvor erwähnten Spannungspegel verwendet werden können.
1b zeigt ein weiteres Beispiel eines Spin-Bauelements 100, das sich von dem in 1a gezeigten hauptsächlich in Bezug auf die Steuerelektrode 190 und die spinselektive Streustruktur 170 unterscheidet. Bei dem in 1b gezeigten Beispiel des Spin-Bauelements 100 ist die Steuerelektrode in der spinselektiven Streustruktur 170 beinhaltet, wie durch eine gestrichelte Linie in 1b angezeigt ist. Mit anderen Worten, die Steuerelektrode 190 ist Teil der spinselektiven Streustruktur 170.
Um, falls dies ratsam ist, eine elektrische Isolierung der Steuerelektrode 190 von der Zwischenhalbleiterregion 120 und der Grenzfläche 180 zu bieten, kann die spinselektive Streustruktur 170 ferner eine isolierende Schicht aufweisen, die zwischen der Steuerelektrode 190 und der Grenzfläche 180 angeordnet ist. Mit anderen Worten, in 1b kann der Teil der spinselektiven Streustruktur 170, der unterhalb der Steuerelektrode 190 gezeigt ist, eine isolierende Schicht aufweisen oder durch eine isolierende Schicht gebildet sein. In Abhängigkeit von Implementierungsdetails könnte es ratsam sein, eine derartige isolierende Schicht mit bestimmten Grenzbedingungen zu implementieren. Dies ist jedoch unter Umständen nur für einige Implementierungen der Fall sein, wie unten detaillierter umrissen werden wird.
Ein Vergleichen der in den 1a und 1b gezeigten Beispiele legt ferner zwei unterschiedliche Ansätze dar, die in dem Fall einiger Beispiele in der Form eines Spin-Bauelements 100 eingeschlagen werden können. In dem Fall einiger, jedoch nicht aller Beispiele kann einerseits angenommen werden, dass die Strukturen und Schichten, die über der Zwischenhalbleiterregion 120 angeordnet sind, in der spinselektiven Streustruktur 170 beinhaltet sind. Dies kann auch die Steuerelektrode 190 beinhalten, zum Beispiel wenn die Steuerelektrode 190 nicht nur eine einzelne Funktion erfüllt, sondern auch eine Funktion in Bezug auf die Spin-Streueigenschaft der Ladungsträger. Dies könnte zum Beispiel durch die Materialzusammensetzung der Steuerelektrode bewirkt sein, wenn diese zum Beispiel aus einem ferromagnetischen Metall gefertigt ist.
Andererseits kann die Steuerelektrode 190 auch nicht als Teil der spinselektiven Streustruktur 170 betrachtet werden, wenn die spinselektive Streustruktur zum Beispiel in der Lage ist, ihre Funktionalität der Beeinflussung der Streueigenschaften der Ladungsträger durchzuführen. Beide Perspektiven können gleichermaßen geeignet sein, wenn die spinselektive Streustruktur 170 in der Lage ist, ihre grundlegende Funktionalität ohne die Steuerelektrode 190 durchzuführen, und zwar unabhängig von der Frage, ob die Steuerelektrode die Spin-Streueigenschaften verbessern, verändern oder beeinflussen kann. Dies könnte der Fall sein, wenn die Steuerelektrode ein ferromagnetisches Metall aufweist.
Ein Spin-Bauelement 100 kann die Gelegenheit bieten, eine Stromquelle oder einen Detektor für einen spinpolarisierten Strom auf der Basis von Halbleitertechnologie zu implementieren. Ein Spin-Bauelement 100 kann auf der Basis von Silizium sowie anderen halbleitenden Materialien implementiert sein. Silizium (Si) zum Beispiel weist eine Spin-Diffusionslänge auf, über die die Spin-Polarisation exponentiell abfällt, was verglichen mit typischen Abmessungen dieser Bauelemente groß ist. Silizium zum Beispiel kann eine Spin-Diffusionslänge von bis zu mehreren Zentimetern, bis zu mehreren zehn Zentimetern aufweisen, so dass in dem Fall von Silizium als eine gute Annäherung der Strom der beiden Spin-Orientierungen unabhängig voneinander in dem Rahmen eines so genannten Zwei-Fluid-Modells betrachtet werden kann. Ferner können, da sich in dem Fall einer FET-artigen Implementierung eines Spin-Bauelements 100 die Dotierungsprofile nicht notwendigerweise von denjenigen von FETs unterscheiden, Spin-Bauelemente 100 auf Siliziumbasis eine attraktive Form einer Implementierung eines derartigen Bauelements sein. Da in dem Fall einer Implementierung auf der Basis eines Anreicherungs-FET eine Spannung an die Steuerelektrode 190 angelegt werden soll, um den Inversionskanal an der Grenzfläche 180 zu bilden, kann eine derartige Implementierung sogar einen vergleichsweise hohen Grad einer Spin-Polarisation bereitstellen, da die Ladungsträger durch die angelegte Spannung in Richtung der Grenzfläche 180 angezogen werden, was die Wechselwirkung mit der selektiven Spin-Streustruktur 170 erhöhen kann (Vorspanneffekt).
Andere FET-Strukturen und andere Halbleiterstrukturen können jedoch in dem Rahmen der Zwischenhalbleiterregion 120 ebenso verwendet werden, wie die vorstehende Erläuterung gezeigt hat. Im Prinzip kann sogar eine Implementierung auf der Basis einer dicken Halbleiterregion, die die Zwischenhalbleiterregion 120 bildet („Volumen”-Implementierung), verwendet werden. In einem derartigen Fall jedoch könnte die Anzahl von Wechselwirkungen der Ladungsträger der Grenzfläche 180 eingeschränkt sein, was auch zu einem vergleichsweise kleinen Grad einer Spin-Polarisation, der an dem zweiten Anschluss 140 erzielbar ist, führt.
Spin-Bauelemente 100 können außerdem auf der Basis anderer halbleitender Materialien, wie zum Beispiel Materialien, die ein zweidimensionales Elektronengas bilden (zum Beispiel AlGaAs), implementiert sein. Diese Materialien bieten außerdem die Möglichkeit einer dünnen leitenden Schicht nahe an der Grenzfläche 180 zwischen einer Zwischenhalbleiterregion 120 und der spinselektiven Streustruktur 170. AlGaAs jedoch bietet typischerweise eine kleinere charakteristische Spin-Diffusionslänge, die unter 10 μm, oft sogar unter 1 μm sein kann.
2a zeigt eine schematische Draufsicht eines weiteren Spin-Bauelements 100'. Das Spin-Bauelement 100' basiert auf einer JFET-Implementierung (JFET = Junction Field Effect Transistor = Sperrschicht-Feldeffekttransistor) mit einem Substrat 110, das eine Zwischenhalbleiterregion 120 aufweist. Das Spin-Bauelement 100' weist außerdem einen ersten Anschluss 130 und einen zweiten Anschluss 140 auf, die angepasst sind, um einen Strom mit einer ersten Spin-Polarisation an die Zwischenhalbleiterregion 120 zu liefern bzw. einen Strom mit einem zweiten Grad einer Spin-Polarisation aus der Zwischenhalbleiterregion 120 zu extrahieren. Wie in 1a gezeigt ist, kann der erste Anschluss 130 mit einem ersten Kontakt 150 gekoppelt sein und der zweite Anschluss 140 kann mit dem zweiten Kontakt 160 gekoppelt sein. Eine selektive spinselektive Streustruktur 170, die in 2a als ein gestricheltes Rechteck gezeigt ist, ist auf der Zwischenhalbleiterregion 120 gebildet, um eine Grenzfläche 180 zwischen der Zwischenhalbleiterregion 120 und der spinselektiven Streustruktur 170 bereitzustellen.
Ferner weist das Spin-Bauelement 100' eine erste Steuerelektrode 190-1 und eine zweite Steuerelektrode 190-2, die mit einem ersten Steuerkontakt 200-1 bzw. einem zweiten Steuerkontakt 200-2 gekoppelt sein können, auf. Im Gegensatz zu dem in 1a gezeigten Spin-Bauelement 100 jedoch sind die beiden Steuerelektroden 190 nicht elektrisch von der Zwischenhalbleiterregion 120 durch eine isolierende Schicht isoliert, sondern durch einen in Sperrrichtung vorgespannten pn-Übergang. Um dies zu erzielen, weist die Zwischenhalbleiterregion 120 eine erste Dotierung, zum Beispiel eine n-Dotierung, auf, während die Steuerelektroden 190-1, 190-2 eine komplementäre Dotierung, zum Beispiel p-Dotierung, aufweisen. Folglich wird beim Anlegen einer entsprechenden Spannung an die Steuerelektroden 190 ein in Sperrrichtung vorgespannter pn-Übergang zwischen der Zwischenhalbleiterregion 120 und den Steuerelektroden 190 gebildet. Durch Variieren der an die Steuerelektroden 190 angelegten Spannung kann eine Erschöpfungszone hinsichtlich ihrer Erstreckung variiert werden, so dass ein elektrisches Feld wieder senkrecht zu einer Richtung 210 des Stroms von dem ersten Anschluss 130 zu dem zweiten Anschluss 140 angelegt ist. Folglich beeinflusst durch Anlegen der Steuerspannungen an die Steuerelektroden 190 das elektrische Feld senkrecht zu der Richtung 210 eine Breite des leitenden Bereichs in der Zwischenhalbleiterregion 120, was eine Steuerung des Betrags des Stroms ermöglicht.
Zur detaillierteren Beschreibung der Struktur des in 2a gezeigten Spin-Bauelements 100' zeigt 2b eine Querschnittsansicht des Bauelements entlang einer Linie 250. Das Spin-Bauelement 100' ist auf einem Substrat 110 basiert, das eine isolierende Schicht 220 aufweist, die die Zwischenhalbleiterregion 120 hinsichtlich ihrer Dicke einschränkt. Die beiden Steuerelektroden 190-1, 190-2 sind entsprechend ebenso auf die Dicke der Zwischenhalbleiterregion 120 eingeschränkt. Bei unterschiedlichen Implementierungen der Spin-Bauelemente 100' jedoch können sich die Steuerelektrode 190-1, 190-2 schließlich auch in die isolierende Schicht 220 erstrecken oder können die Zwischenhalbleiterregion 120 überhaupt nicht durchdringen.
2b zeigt zusammen mit 2a ferner, dass die spinselektive Streustruktur 170 die Zwischenhalbleiterregion 100 nicht vollständig bedeckt. Deshalb ist die Grenzfläche 180 nicht über der gesamten Oberfläche der Zwischenhalbleiterregion 120 gebildet. Dieses Implementierungsdetail ist jedoch bei weitem nicht auf Spin-Bauelemente 100' in der Form von JFET-artigen Bauelementen eingeschränkt. Im Prinzip kann die spinselektive Streustruktur 170 in dem Fall von FET-artigen Bauelementen auch hinsichtlich ihrer Erstreckung eingeschränkt sein, wie in 1a gezeigt ist.
Vor dem Beschreiben eines dritten Beispiels eines Spin-Bauelements in Bezug auf 3 soll angemerkt werden, dass Strukturen und Objekte mit identischen oder ähnlichen funktionellen oder strukturellen Eigenschaften mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet werden. Das in 1a gezeigte Spin-Bauelement 100 und das Spin-Bauelement 100' zum Beispiel sind durch ähnliche Bezugszeichen bezeichnet. Ferner können Strukturen und Objekte, die durch die gleichen oder ähnliche Bezugszeichen bezeichnet sind, gleichermaßen mit gleichen elektrischen, mechanischen oder anderen Eigenschaften und Abmessungen implementiert sein, es sei denn, dies ist anderweitig angemerkt. Natürlich können Objekte und Strukturen, die durch die gleichen oder ähnliche Bezugszeichen bezeichnet sind, unterschiedlich implementiert sein.
Ferner werden zusammenfassende Bezugszeichen für Objekte und Strukturen, die in einem Beispiel oder einer Figur mehr als einmal erscheinen, verwendet. In den 2a und 2b zum Beispiel werden die beiden Steuerelektroden 190-1, 190-2 mit ihren zusammenfassenden Bezugszeichen 190 bezeichnet, es sei denn, es wird speziell Bezug auf eine Steuerelektrode genommen. Die Spin-Bauelement 100, 100', die in den 1 bzw. 2 gezeigt sind, werden durch ihr zusammenfassendes Bezugszeichen 1 bezeichnet, es sei denn, es wird Bezug auf ein spezifisches Detail eines der Spin-Bauelemente genommen.
3 zeigt ein weiteres Beispiel eines Spin-Bauelements 100'', das dem in 1a gezeigten Spin-Bauelement 100 ähnelt. Das Spin-Bauelement 100'' aus 3 weist auch ein Substrat 110 auf, das wiederum eine Zwischenhalbleiterregion 120 aufweist. Die Zwischenhalbleiterregion 120 ist zwischen einem ersten Anschluss 130 und einem zweiten Anschluss 140 angeordnet, die durch einen ersten Kontakt 150 bzw. einen zweiten Kontakt 160 kontaktiert werden.
Das Spin-Bauelement 100'' weist ferner eine selektive Spin-Streustruktur 170 auf, die an die Zwischenhalbleiterregion 120 angrenzt, um eine Grenzfläche 180 zwischen der spinselektiven Streustruktur 170 und der Zwischenleiterregion 120 zu bilden. Im Gegensatz zu dem in 1a gezeigten Beispiel jedoch erstreckt sich die spinselektive Streustruktur 170 nicht über die gesamte Länge der Zwischenhalbleiterregion 120, wie in der Querschnittsansicht in 3 gezeigt ist. Die spinselektive Streustruktur 170 bedeckt nur einen Bruchteil einer Oberfläche der Zwischenhalbleiterregion 120, derart, dass nur dieser Bruchteil der Oberfläche die Grenzfläche 180 bildet, wodurch Ladungsträger, die von dem ersten Anschluss 130 in die Zwischenhalbleiterregion 120 injiziert werden, in Wechselwirkung stehen, um den Grad einer Spin-Polarisation des Stroms zu verändern.
Das in 3 gezeigte Spin-Bauelement 100'' weist außerdem eine Steuerelektrode 190 auf, die elektrisch mit einer weiteren Schaltung oder einem weiteren Element durch einen Steuerkontakt 200 verbindbar ist. Die Steuerelektrode 190 ist jedoch elektrisch von der Zwischenhalbleiterregion 120 durch eine weitere Isolierungsschicht 270 isoliert, die an die Zwischenhalbleiterregion 120 angrenzt. Die weitere Isolierungsschicht 270 und die Zwischenhalbleiterregion 120 bilden so eine weitere Grenzfläche 280, die an die Grenzfläche 180 angrenzen kann, jedoch auch von derselben getrennt ist.
Das in 3 gezeigte Spin-Bauelement 100'' unterscheidet sich deshalb von dem in 1a gezeigten Spin-Bauelement 100 dadurch, dass die Steuerelektrode 190 in Bezug auf die spinselektive Streustruktur 170 lateral verschoben ist. Während bei dem in 1a gezeigten Beispiel die Steuerelektrode 190 auf der spinselektiven Streustruktur 170 angeordnet ist, die außerdem die Steuerelektrode elektrisch von der Zwischenhalbleiterregion 120 isoliert, ist die elektrische Isolierung bei dem in 3 gezeigten Beispiel durch die weitere Isolierungsschicht 270 realisiert. Folglich können die Funktionsspinteile, die einerseits selektiv die Ladungsträger durch die spinselektive Streustruktur 170 und die jeweilige Grenzfläche 180 streuen und andererseits den Betrag des Stroms durch Anlegen eines elektrischen Felds senkrecht zu einer Richtung 210 des Stroms zwischen dem ersten Anschluss 130 und dem zweiten Anschluss 140 steuern, räumlich voneinander getrennt sein. Dies kann zum Beispiel ein separates Optimieren der spinselektiven Streustruktur 170 einerseits und der Steuerstruktur, die den Betrag des Stroms steuert, andererseits, die bei dem in 3 gezeigten Beispiel die weitere Isolierungsschicht 270, die Steuerelektrode 190 und den Steuerkontakt 200 aufweist, ermöglichen.
Es könnte zum Beispiel vorkommen, dass die spinselektive Streustruktur 170 durch das elektrische Feld, das durch die Steuerelektrode 190 angelegt wird, beeinflusst wird. Dieser Einfluss kann durch ein räumliches Trennen der beiden reduziert oder sogar beseitigt werden. Ferner kann durch Einführen der weiteren Isolierungsschicht 270 die Steuerelektrode 190 mit unterschiedlichen Spannungspegeln betrieben werden, da eine Dicke der weiteren Isolierungsschicht 270 unabhängig von der spinselektiven Streustruktur 170 ausgewählt werden kann. Es kann deshalb möglich sein, das Spin-Bauelement 100'' mit höheren Steuerspannungen, die an die Steuerelektrode 190 angelegt sind, zu betreiben, und zwar auf Grund der Möglichkeit eines Implementierens einer dickeren weiteren Isolierungsschicht 270, ohne ein elektrisches Durchbruch-Feld der weiteren Isolierungsschicht 270 zu überschreiten, was eine Lawine von Ladungsträgern und die Erzeugung eines leitenden Kanals durch die weitere Isolierungsschicht 270 bewirken könnte, was das Spin-Bauelement 100'' zerstört.
Mit anderen Worten, die spinselektive Streustruktur 170 und die Steuerstruktur mit der Steuerelektrode 190 bilden eine Serienschaltung, wobei die spinselektive Streustruktur 170 in Bezug auf die Richtung des Stroms 210 vor die Steuerstruktur geschaltet ist. Bei unterschiedlichen Beispielen könnte die Reihenfolge der beiden Strukturen gleichermaßen umgekehrt werden, was die spinselektive Streustruktur 170 hinter der Steuerstruktur platzieren würde.
Als möglicher Nachteil dieser Lösung jedoch könnte die Oberfläche der Zwischenhalbleiterregion 120 letztendlich nicht so effizient genutzt werden wie in dem Fall des in 1a gezeigten Spin-Bauelements 100, da die Oberfläche der Zwischenhalbleiterregion 120 in 3 zwei unterschiedliche Bereiche aufweist, die die Grenzfläche 180 und die weitere Grenzfläche 280 bilden. Dies könnte schließlich kein wesentlicher Nachteil sein, da in Abhängigkeit von Implementierungsdetails die weitere Grenzfläche 280 letztendlich hinsichtlich ihrer Länge entlang der Richtung des Stroms 210 verglichen mit einer Länge der Grenzfläche 180 wesentlich kleiner sein könnte.
In dem Fall einer FET-artigen Implementierung des Spin-Bauelements 100'' ist der Kanal oder Kanalbereich größtenteils in dem Bereich der weiteren Grenzfläche 280 gebildet. So kann die Länge der weiteren Grenzfläche 280 prinzipiell auf eine minimale Länge eingeschränkt sein, die nötig ist, um einen zulässigen Strom zu steuern. Abhängig von Implementierungsdetails kann die Länge der weiteren Grenzfläche 280 prinzipiell auf weniger als etwa 100 nm eingeschränkt sein, während die Länge der Grenzfläche 180 länger als etwa 1 μm ist.
Als optionale Implementierung kann das Spin-Bauelement 100'' außerdem eine isolierende Schicht 220 aufweisen, wie in dem Rahmen des in 1a gezeigten Spin-Bauelements 100 bereits gezeigt und erläutert wurde. Wie alle hierin beschriebenen isolierenden Schichten können die isolierende Schicht 220 sowie die weitere Isolierungsschicht 270 ein Oxidmaterial, ein Nitritmaterial, eine Oxynitridmaterial oder ein anderes isolierendes Material (zum Beispiel ONO (Oxid-Nitrid-Oxid)) aufweisen.
Ferner kann, obwohl 3 die spinselektive Streustruktur 170 so zeigt, dass diese vor der Steuerelektrode 190 zusammen mit der weiteren isolierenden Schicht 270 positioniert ist, die Richtung des Stroms 210 gleichermaßen umgekehrt werden, worauf bereits hingewiesen wurde. Prinzipiell kann das Spin-Bauelement 100'' symmetrisch entworfen sein, so dass der in 3 gezeigte zweite Anschluss 140 auch als der erste Anschluss 130 betrachtet werden kann und umgekehrt. Entsprechend kann durch Umkehren der Richtung 210 des Stroms die Steuerelektrode 190 ebenfalls vor der spinselektiven Streustruktur 170 angeordnet sein. In Bezug auf das Funktionsprinzip ist dies nicht von Bedeutung. Wiederum anders ausgedrückt kann eine Reihenfolge der Anordnung der Steuerelektrode 190 und der spinselektiven Streustruktur 170 umgekehrt werden, wie in 3 gezeigt ist.
Bisher hat sich die Beschreibung der Beispiele von Spin-Bauelementen, wie diese in den 1 bis 3 gezeigt sind, hauptsächlich auf die Anordnung der spinselektiven Streustruktur 170 in Bezug auf die Steuerelektroden 190 und die unterschiedlichen Prinzipien, auf die ein Spin-Bauelement 100 implementiert werden kann, konzentriert. Im Folgenden wird eine mögliche Implementierung einer spinselektiven Streustruktur 170 im Zusammenhang mit den 4a und 4b detaillierter beschrieben.
Basierend auf einer grundlegenden Erkenntnis bieten Beispiele von Spin-Bauelementen ein neues Verfahren für eine steuerbare selektive Spin-Injektion, zum Beispiel durch Anlegen einer Gate- oder Steuerspannung.
4a zeigte eine Anordnung 300 zum Bewerten der Möglichkeit einer Spin-abhängigen Streuung von Elektronen an einer Grenzfläche zwischen einem Halbleiter und einer dünnen keilförmigen Magnesiumoxidschicht (MgO), die durch ein ferromagnetisches Material bedeckt ist. Die Anordnung 300 weist eine Halbleiterregion 310 und eine keilförmige Oxidschicht 320, die auf MgO basiert, auf, so dass eine Grenzfläche 330 zwischen der Halbleiterregion 310 und der Oxidschicht 320 gebildet ist. Bei der in 4a gezeigten Anordnung 300 steigt eine Dicke der Oxidschicht 320 von 0,2 nm (2 Å) auf eine Dicke von mehr als 1,5 nm (15 Å) an. Eine ferromagnetische Schicht 340 ist auf der Oxidschicht 320 positioniert.
Die ferromagnetische Schicht 340 weist eine ausreichende Dicke und eine ausreichende Fläche auf, um es zu ermöglichen, dass die ferromagnetische Schicht 340 derartig Bereiche bilden kann, dass die ferromagnetische Schicht 340 eine (mehr oder weniger konstante) Magnetisierung 350 aufweisen kann. Die ferromagnetische Schicht 340 könnte aus einem beliebigen ferromagnetischen Material gebildet sein, wie zum Beispiel ferromagnetischen Metallen, Eisen (Fe), Kobelt (Co) und Nickel (Ni). Ferner könnten komplexere Verbindungen als ein ferromagnetisches Material verwendet werden, wie zum Beispiel Seltene-Erden-Magnete, die Legierungen von Seltene-Erden-Elementen (zum Beispiel Neodymium-Magneten (Nd₂Fe₁₄B), Samarium-Magneten (SmCo₅)) aufweisen. Ferrit-Magneten mit einer chemischen Formel AB₂O₄, wobei A und B verschiedene metallische Kationen darstellen, üblicherweise mit Eisen (zum Beispiel Zinkferrit „ZnFe”, ZnFe₂O₄), sowie „Alnico”-Magneten mit einer Legierung aus Aluminium (Al), Nickel (Ni), Kobalt (Co), zusammen mit optionalem zusätzlichen Eisen (Fe), Kupfer (Cu) und manchmal Titan (Ti), Heusler-Legierungen, Magnetit (Fe₃O₄), dotierte Isolatoren und Halbleiter (zum Beispiel dotiert mit Mangan (Mn)) und andere herkömmlicherweise bekannte ferromagnetische Materialien (zum Beispiel FeOFe₂O₃, NiOFe₂O₃, CuOFe₂O₃, MgOFe₂O₃, CrO₂ und EuO) können ebenso verwendet werden.
Die folgenden experimentellen Ergebnisse basieren jedoch auf Eisen (Fe) als dem ferromagnetischen Material der ferromagnetischen Schicht 340 und Magnesiumoxid (MgO) für die Oxidschicht 320. In Abhängigkeit von der Dicke der Oxidschicht 320 und der Orientierung oder der Magnetisierung 350 der ferromagnetischen Schicht 340 sind unterschiedliche Arten Spin-ausgerichteter Elektronen nach einer Reflexion an oder einer Wechselwirkung mit der Grenzfläche 330 erzielbar.
Beginnend bei vergleichsweise kleinen Dicken der Oxidschicht 320 von weniger als 0,2 nm (2,0 Å) werden Elektronen an der Grenzfläche 330 vorzugsweise mit einer Spin-Richtung parallel zu der Magnetisierung 350 der ferromagnetischen Schicht 340 gestreut, wie schematisch in 4a angezeigt ist, wobei ein Elektron 360 vor dem Streuereignis eine der beiden Spin-Polarisationen aufweist und mit einer bevorzugten Spin-Orientierung zu der Magnetisierung 350 reflektiert wird. Der spinselektiven Streueigenschaft, die manchmal auch als ferromagnetische Nähe-Polarisation (FPP; FPP = ferromagnetic proximity polarization) bezeichnet wird, folgt eine steile Reduktion mit zunehmenden Dicken der Oxidschicht 320 und eine Vorzeichenumkehr, wie in 4a schematisch durch ein Elektron 370 angezeigt ist.
Wie 4a schematisch zeigt, nähert sich das Elektron 370 der Grenzfläche 330 mit einer der beiden Spin-Polarisationen an und wird vorzugsweise mit einer Spin-Orientierung entgegengesetzt zu der Magnetisierung 350 der ferromagnetischen Schicht 340 gestreut. Während die FPP-Spin-Polarisation bei einer Dicke von etwa 2,0 Å (0,2 nm) Magnesiumoxid für das schematisch gezeigte Elektron 360 verstärkt wird, weist die Spin-Polarisation das entgegengesetzte Vorzeichen auf, wenn die Magnesiumoxiddicke etwa 7,0 Å (0,70 nm) bis 7,9 Å (0,79 nm) beträgt. Bei einer Dicke von etwa 5,0 Å (0,5 nm) kreuzt die FPP-Spin-Polarisation null, so dass der Spin-Polarisationseffekt im Wesentlichen unterdrückt wird.
Ein Erhöhen der Dicke der Oxidschicht 320 über die zuvor erwähnten 7,0 bis 7,9 Å, bei der die Vorzeichenumkehr der FPP-Spin-Polarisation auftritt, führt wieder zu einer Reduktion und schließlich zu einem Verschwinden der FPP bei etwa 12 Å (0,12 nm) bis 14,0 Å (0,14 nm), 15,0 Å (0,15 nm) und darüber. Dies ist schematisch durch ein Elektron 380 dargestellt, das nach einem Streuvorgang an der Grenzfläche 330 keine bevorzugte Spin-Orientierung aufweist.
Das oben beschriebene Experiment wurde basierend auf dem longitudinalen magnetooptischen Kerr-Effekt (MOKE) auf der Basis von Magnesiumoxidschichten und einer Galliumarsenidschicht (GaAs) auf einem Aluminiumgalliumarsenid/Galliumarsenid-Substrat (Al_0,7Ga_0,3As/GaAs) ausgeführt. Die Dicke der ferromagnetischen Schicht 340 betrug während der Experimente 2,0 nm (20 Å). Wie zuvor dargestellt wurde, kann die ferromagnetische Schicht 340 in Abhängigkeit von unterschiedlichen Parametern jedoch Dicken von 1 nm (10 Å) und darüber, zum Beispiel 13 Å (1,3 nm), oder andere Dicken aufweisen.
Es gibt eine Anzahl von Erklärungen und Theorien hinsichtlich des Grunds für das beobachtete Verhalten. Unter anderem wurden ein Grenzflächenkontaktieren, Magnesiumoxid-Barrierehöhe-Effekte, Quanteninterferenz- oder Oberflächeneffekte in oder an der Magnesiumoxidschicht (auf Grund nicht perfekter Oberflächen), lokalisierte erweiterte Zustände und Majoritäts-Spin-Volumenzustände als Erklärungen für das beobachtete Verhalten vorgeschlagen. Ferner wurde auch Spin-Bahn-Kopplung als eine Erklärung für die beobachtete Spin-Abhängigkeit der reflektierten Elektronen an der Grenzfläche 330 vorgeschlagen.
Die experimentellen Beobachtungen haben bisher Effekte von etwa 30% des resultierenden spinpolarisierten Stroms gezeigt. In Abhängigkeit von den experimentellen Umständen und anderen technologischen Parametern jedoch können höhere oder niedrigere Spin-Polarisationsgrade erzielbar sein.
Eine derartige einfache Struktur mit einem Magnesiumoxidkeil 320, der die Grenzfläche 330 zwischen dem Halbleiter 310 und der Dünn-Magnesiumoxidschicht 320 bedeckt, die wiederum durch die ferromagnetische Schicht 340 bedeckt ist, ermöglicht keine Spezifizierung der resultierenden Orientierung der Streuelektronenspins, da Elektronen mit der Grenzfläche 330 an Orten, die unterschiedlichen Dicken des Oxids entsprechen, in Wechselwirkung stehen können. Entlang eines ersten Wegs 390-1 zum Beispiel, wie in 4b gezeigt ist, weisen gestreute Elektronen mit einer höheren Wahrscheinlichkeit als entlang eines zweiten Wegs 390-2, ebenso in 4b gezeigt, eine unterschiedliche Spin-Orientierung auf. Deshalb ist der experimentelle Aufbau, wie er in den 4a und 4b gezeigt ist, die sich nur in Bezug auf die zusätzlich markierten Wege 390 von 4a unterscheiden, nicht sehr geeignet für eine Anwendung im Rahmen eines Spin-Bauelements. 4b stellt gut dar, dass die Spin-Orientierung von der Magnesiumoxiddicke abhängt, die für die gezeigten einzelnen Elektronenwege 390-1, 390-2 relevant ist.
Im Gegensatz zu dem in den 4a und 4b gezeigten experimentellen Aufbau bietet die Verwendung einer einheitlichen Magnesiumoxidschicht mit einer konstanten Dicke die Möglichkeit eines Erhaltens einer festen Spin-Streueigenschaft in Abhängigkeit von der Magnesiumoxiddicke und der relevanten Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht 340.
Es könnte schließlich möglich sein, die Spin-Streueigenschaft zu verändern, indem eine Spannung senkrecht zu der Grenzfläche 330 eines Stapels 300 angelegt wird, da ein Anlegen einer derartigen Spannung an eine Elektrode (in 4a und 4b nicht gezeigt) variierende Stärken einer Spin-Bahn-Kopplung ermöglichen kann, was zu einer virtuellen Veränderung der „Dicke” der isolierenden Schicht 320 führt. Deshalb kann es möglich sein, mit einer einzelnen spinselektiven Streustruktur basierend auf der Anordnung 300 allein zwei unterschiedliche Spin-Polarisationen zu erhalten, indem einfach eine Steuerspannung eingestellt wird, um ein elektrisches Feld senkrecht zu der Grenzfläche 330 zu erzeugen. Mit anderen Worten, es kann möglich sein, dass durch Einstellen der Steuerspannungen, die an die Steuerelektrode 190 des Spin-Bauelements 100, das in 1a gezeigt ist, angelegt werden, und zwar in dem Fall, dass die spinselektive Streustruktur 170 eine Anordnung aufweist, die der Anordnung 300 ähnelt, mit einer Oxidschicht 320, die eine konstante Dicke aufweist, und einer zusätzlichen isolierenden Schicht, die das ferromagnetische Material von der Steuerelektrode 190 darüber isoliert, zwischen unterschiedlichen Orientierungen oder unterschiedlichen Graden einer Spin-Polarisation umzuschalten, indem einfach die Steuerspannung eingestellt wird. Wiederum anders ausgedrückt kann es möglich sein, zwischen den beiden Wegen 390-1, 390-2 umzuschalten, indem die jeweilige Steuerspannung eingestellt wird.
Bei einer technischen Implementierung einer spinselektiven Streustruktur 170 ist die Oxidschicht 320 typischerweise mit einer konstanten Dicke aufgebracht. Typische Werte für die Dicke in dem Fall einer Magnesiumoxidschicht variieren zwischen etwa 2 und 10 atomaren Schichten, manchmal zwischen 5 und 10 atomaren Schichten. Dies führt zu Dicken zwischen etwa 2 und 8 Å, während für Dicken über 12 Å der Effekt zu verschwinden scheint.
Bei Implementierungen eines Spin-Bauelements 100 können auch andere isolierende Schichten anstelle der Oxidschicht 320, die Magnesiumoxid aufweist, verwendet werden. Magnesiumoxid bietet die Möglichkeit einer stark reproduzierbaren selektiven Spin-Streustruktur und der technologische Vorgang des Verwendens von Magnesiumoxid ist wohl begründet, da Magnesiumoxid zum Beispiel in TMR-bezogenen Herstellungsverfahren (TMR = Tunneling Magneto-Resistance = Tunnelmagnetwiderstandswert) verwendet wird. Andere Materialien, die anstelle von Magnesiumoxid verwendet werden könnten, weisen zum Beispiel Aluminiumoxid (AlO_x) auf, das in dem Fall von TMR-basierten Systemen häufig auch als eine Tunnelbarriere verwendet wird. Als eine weitere Alternative könnten die ferromagnetische Schicht 340 und die Oxidschicht 320 schließlich durch eine einzelne Verbindung ersetzt werden, wie zum Beispiel Magnetit (Fe₃O₄), das ein ferromagnetischer Isolator ist. Mit anderen Worten, die spinselektive Streustruktur 170, wie sie in den 1 bis 3 gezeigt ist, könnte letztendlich durch eine ausreichend dicke Magnetitschicht gebildet werden.
In den folgenden Figuren werden mehrere Beispiele eines Spin-Bauelements 100 verglichen mit den schematischen Darstellungen der 1 bis 3 detaillierter gezeigt. In den folgenden Figuren wird die spinselektive Streustruktur 170, die in den 1 bis 3 lediglich schematisch gezeigt wurde, detaillierter beschrieben. Es wird jedoch wieder darauf hingewiesen, dass die in den 1 bis 3 gezeigten Beispiele von Spin-Bauelementen ohne weiteres durch Implementierung der spinselektiven Streustruktur mit einer Magnetitschicht oder einer anderen geeigneten Struktur implementiert werden könnten.
Wahlweise könnte in dem Fall eines Spin-Bauelements 100, wie es in 1a gezeigt ist, die spinselektive Streustruktur eine zusätzliche isolierende Schicht aufweisen, zum Beispiel eine Magnesiumoxidschicht, die die Grenzfläche 180 unterhalb des Magnetits bildet, oder sie könnte ferner eine isolierende Schicht auf der Magnetitschicht aufweisen, um die elektrische Isolierung zu der Steuerelektrode 190, die auf der spinselektiven Streustruktur 170 aufgebracht ist, zu verbessern.
5a zeigt eine Querschnittsansicht eines Spin-Bauelements 100, das auf einer FET-Struktur basiert, die ziemlich ähnlich zu dem in 1a gezeigten Spin-Bauelement 100 ist. Das Spin-Bauelement 100 aus 5a weist außerdem ein Substrat 110 auf, das eine Zwischenhalbleiterregion 120 aufweist, in der während des Betriebs ein Kanal gebildet wird. Entsprechend wird ein erster Anschluss 130, der an die Zwischenhalbleiterregion 120 angrenzt, auch als ein Source-Kontakt bezeichnet. Ein zweiter Anschluss 140, der ebenso an die Zwischenhalbleiterregion 120 angrenzt, wird deshalb auch als ein Drain-Anschluss bezeichnet.
Die Zwischenhalbleiterregion 120 grenzt an die spinselektive Streustruktur 170 so an, dass eine Grenzfläche 180 zwischen den beiden gebildet wird. Auf der spinselektiven Streustruktur 170 ist eine Steuerelektrode oder eine Gate-Elektrode aufgebracht, die elektrisch mit einem Steuerkontakt 200 verbunden ist, der auch als der Gate-Kontakt bezeichnet wird.
Das Spin-Bauelement 100 aus 5a unterscheidet sich jedoch von dem Spin-Bauelement 100 aus 1a in Bezug auf die spinselektive Streustruktur 170. Genauer gesagt weist die spinselektive Streustruktur 170 aus 5a eine Magnesiumoxidschicht 400 (mit einer konstanten Dicke verglichen mit der Keilform der Schicht 320 in den 4a und 4b) auf, die an die Zwischenhalbleiterregion 120 angrenzt und die Grenzfläche 180 bildet. Auf der Magnesiumoxidschicht 400 ist eine ferromagnetische Schicht 410 aufgebracht. Die ferromagnetische Schicht 410 gemeinsam mit der Magnesiumoxidschicht 400 bildet die spinselektive Streustruktur 170. Wie zuvor dargelegt wurde, kann die ferromagnetische Schicht 410 eine isolierende Schicht (zum Beispiel Magnetit), eine Halbleiterschicht (zum Beispiel ein magnetisch dotierter Halbleiter) oder eine leitfähige oder metallische Schicht (zum Beispiel Eisen (Fe), Nickel (Ni) oder Kobalt (Co)) sein.
Es wird darauf verwiesen, dass bei unterschiedlichen Beispielen von Spin-Bauelementen unterschiedliche Materialien verwendet werden könnten. Die Magnesiumoxidschicht 400 zum Beispiel könnte durch eine weitere elektrisch isolierende Schicht ersetzt werden. Diese Schicht könnte zum Beispiel Aluminiumoxid (AlO_x), Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumoxid (SiO), ein Nitrid (zum Beispiel Si_xN_y (wobei x, y die stöchiometrische Zusammensetzung anzeigen, zum Beispiel Si₃N₄) oder eine Kombination derselben aufweisen. Mit anderen Worten, bei dem in 5a gezeigten Beispiel des Spin-Bauelements könnte die Magnesiumoxidschicht 400 als eine Verallgemeinerung durch eine weitere isolierende Schicht ersetzt werden, wie zuvor beschrieben wurde, um ein Spin-Bauelement 100 gemäß einem unterschiedlichen Beispiel zu erhalten.
Es könnte ratsam sein, die ferromagnetische Schicht 410 elektrisch von der Gate-Steuerung 190 über eine Isolierungsschicht zu isolieren, um Einflüsse auf die ferromagnetischen Eigenschaften durch einen elektrischen Strom, der in die ferromagnetische Schicht 410 geht, wenn diese aus einem ferromagnetischen Metall oder einem anderen ferromagnetischen Leiter hergestellt ist, zu verhindern. In dem Fall der Verwendung von Eisen (Fe) als ferromagnetische Schicht 410 zum Beispiel könnte dies ratsam sein, ist jedoch bei weitem nicht notwendig. Das Spin-Bauelement 100, das eine derartige elektrische Isolierung aufweist, ist in 5b gezeigt.
5b zeigt ein weiteres Spin-Bauelement 100, das sich von dem in 5a gezeigten Spin-Bauelement 100 lediglich in Bezug auf eine zusätzliche Gate-Oxidschicht 420 unterscheidet, die zwischen der ferromagnetischen Schicht 410 und der Steuerelektrode 190 angeordnet ist.
Die Gate-Oxidschicht 420 zwischen der ferromagnetischen Schicht 410 und der Gate-Elektrode oder Steuerelektrode 190 bietet die Möglichkeit eines Einstellens der effektiven elektrischen Isolierung der Gate-Elektrode 190 in einer unabhängigeren Weise von den elektrischen Eigenschaften der spinselektiven Streustruktur 170, die den Stapel der Magnesiumoxidschicht 400 und der ferromagnetischen Schicht 410 aufweist.
Dies könnte letztendlich ratsam sein, da eine Dicke der Magnesiumoxidschicht 400, sowie eine Dicke der ferromagnetischen Schicht 410 letztendlich auf Grund der Funktionseigenschaften, Teil der spinselektiven Streustruktur 170 zu sein, definiert werden können. Folglich kann ein Auswählen der Steuer- oder Gate-Spannung, die an die Gate-Elektrode 190 angelegt werden soll, eingeschränkt sein. Ein Anlegen von Werten von mehr als 10 V (zum Beispiel 15 V) an die Steuerelektrode 190 zum Beispiel könnte ohne Einführen der Gate-Oxidschicht 420 nicht möglich sein. Mit anderen Worten, durch Einführen der Gate-Oxidschicht 420 und deshalb durch Ersetzen des Stapels der spinselektiven Streustruktur 170, wie in 5a gezeigt ist, der die ferromagnetische Schicht 410 und die Magnesiumoxidschicht 400 aufweist, durch den komplizierteren Stapel, der außerdem die Gate-Oxidschicht 420 aufweist, kann ein flexibleres und ein besser anwendbares Spin-Bauelement 100 erzielt werden.
Abhängig von der Perspektive könnte die Gate-Oxidschicht 420 auch als Teil der spinselektiven Streustruktur 170 betrachtet werden. In diesem Fall weist die spinselektive Streustruktur 170 den Stapel der drei Schichten 400, 410 und 420 auf, wie zuvor dargelegt wurde. Bei einem weiteren Beispiel eines Spin-Bauelements könnte basierend auf dem in 5b gezeigten Beispiel des Spin-Bauelements schließlich ein weiteres Gate-Oxid zwischen der Magnesiumoxidschicht 400 und der ferromagnetischen Schicht 410 eingeführt werden, was letztendlich ratsam sein könnte, um die Spannungsbeständigkeit in Bezug auf elektrische Felder, die über die Steuer- oder Gate-Elektrode 190 angelegt werden, zu stärken. Abhängig von der konkreten Implementierung und den Umständen jedoch könnte es letztlich ratsam sein, die Gate-Oxidschicht in der Form einer Magnetitschicht zu implementieren (Magnetit ist ebenso ein Oxid von Eisen). Typische Dicken der Gate-Oxidschicht 420 und einer weiteren Gate-Oxidschicht können unter Berücksichtigung der geplanten Betriebsparameter aus typischen Werten auf dem Gebiet der Halbleiterverarbeitung ausgewählt werden.
Als weitere Anwendung könnte die Gate-Oxidschicht 420 als eine Tunnelungsbarriere verwendet werden, wenn die ferromagnetische Schicht 410 eine leitfähige oder metallische Schicht ist. In diesem Fall kann die ferromagnetische Schicht 410 verglichen mit einem Flash-Speicherbauelement als eine Floating-Gate-Elektrode verwendet werden. In diesem Fall kann durch ein Tunneln von Ladungsträgern von der Steuerelektrode 190 auf die ferromagnetische Schicht 410 ein Ladungszustand der ferromagnetischen Schicht 410 derart verändert werden, dass der veränderte Ladungszustand ein zusätzliches elektrisches Feld senkrecht zu einer Richtung 210 des Stroms innerhalb der Zwischenhalbleiterregion 120 erzeugt. Dieses zusätzliche elektrische Feld kann dann zu dem elektrischen Feld senkrecht zu der Richtung 210 des Stroms, der den Betrag des Stroms steuert, beitragen. So kann das Spin-Bauelement durch Einführen einer Floating-Gate-artigen Schicht, wie unten detaillierter dargelegt werden wird, als programmierbar betrachtet werden.
6a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung eines Spin-Bauelements 100. Das Spin-Bauelement 100 basiert auf einer FET-artigen Struktur, die ein Substrat 110 mit einer Zwischenhalbleiterregion 120, die an einen Source-Anschluss 130 (ersten Anschluss) und einen Drain-Anschluss 140 (zweiten Anschluss) anstößt, aufweist. Das Spin-Bauelement 100 weist ferner eine spinselektive Streustruktur 170 auf, die eine Magnesiumoxidschicht 400 und eine ferromagnetische Schicht 410 aufweist, wie in den 5a und 5b gezeigt ist. Die spinselektive Streustruktur 170 bildet eine Grenzfläche 180 mit der Zwischenhalbleiterregion 120.
Das Spin-Bauelement 100, wie es in 6a gezeigt ist, weist eine Floating-Gate-Elektrode 430 auf der ferromagnetischen Schicht 410 auf, die zum Beispiel aus Polysilizium hergestellt sein könnte. Die isolierende Schicht 440 auf der Floating-Gate-Elektrode 430 könnte zum Beispiel durch ein Oxidmaterial oder eine Oxid-Nitrid-Oxid-Schicht (ONO) gebildet sein. Auf der isolierenden Schicht 440 ist eine Steuerelektrode oder eine Gate-Elektrode 190 zusammen mit einem Steuerkontakt 200 aufgebracht.
Durch Einführen der Floating-Gate-Elektrode 430, die elektrisch von der Steuer- oder Gate-Elektrode 190 über die isolierende Schicht 440 isoliert ist, können Ladungsträger von der Steuerelektrode 190 auf die Floating-Gate-Elektrode 430 tunneln, was zu einer Veränderung des Ladungszustands der Floating-Gate-Elektrode 430 führen kann. Mit anderen Worten, die Floating-Gate-Elektrode 430 kann mittels Tunneln durch die isolierende Schicht 440 über die Steuerelektrode 190 geladen oder entladen werden.
Durch ein Verändern des Ladungszustands der Floating-Gate-Elektrode 430 werden elektrostatische Ladungen an die Floating-Gate-Elektrode 430 geliefert, die zu dem elektrischen Feld senkrecht zu der Richtung 210 des Stroms zwischen dem ersten Anschluss 130 und dem zweiten Anschluss 140 beitragen können. Folglich kann es möglich sein, das Spin-Bauelement 100 zu „programmieren”, indem die Floating-Gate-Elektrode 430 entsprechend vorgeladen wird. Mit anderen Worten, durch Bereitstellen einer geeigneten Ladung an die Floating-Gate-Elektrode 430 kann das Spin-Bauelement 100 derart programmiert werden, dass in dem Fall einer Implementierung, die auf einem Anreicherungs-FET basiert, das Spin-Bauelement 100 ohne eine Steuerspannung an die Steuerelektrode 190 eingeschaltet werden kann. Natürlich ist durch Anlegen einer zusätzlichen Spannung an die Steuerelektrode 190 (entweder positiv oder negativ) der Betrag des Stroms, der zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss 130, 140 fließt, noch steuerbar.
Es wird darauf hingewiesen, dass die ferromagnetische Schicht 410 wieder eine elektrisch leitende oder eine isolierende Schicht 410 sein kann. In dem Fall einer elektrisch leitenden ferromagnetischen Schicht 410 (zum Beispiel eines ferromagnetischen Metalls) wirkt die Floating-Gate-Elektrode 430 zusammen mit der ferromagnetischen Schicht 410 als „Floating-Gate-Elektrode”.
Ferner könnte abhängig von der Perspektive, wie im Zusammenhang mit 5b dargelegt wurde, die spinselektive Streustruktur 170 auch als die Floating-Gate-Elektrode 430 und die isolierende Schicht 440 aufweisend betrachtet werden.
6b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung eines Spin-Bauelements 100, das dem in 6a gezeigten Spin-Bauelement 100 ähnelt. Das in 6b gezeigte Spin-Bauelement 100 unterscheidet sich von dem in 6a gezeigten Spin-Bauelement 100 hauptsächlich in Bezug auf eine zusätzliche isolierende Schicht 450, die zwischen der ferromagnetischen Schicht 410 und der Floating-Gate-Elektrode 430 angeordnet ist.
Durch Einführen einer weiteren isolierenden Schicht 450 ist die ferromagnetische Schicht 410 elektrisch von der Floating-Gate-Elektrode 430 isoliert. Folglich kann in dem Fall einer elektrisch leitenden ferromagnetischen Schicht 410 (zum Beispiel eines ferromagnetischen Metalls) ein Laden der ferromagnetischen Schicht 410 verhindert werden, was schließlich zu einer Störung der elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften der Schicht 410 führen könnte.
Die weitere isolierende Schicht 450 könnte zum Beispiel ein Oxidmaterial aufweisen, das zum Beispiel in anderen halbleiterbezogenen Herstellungsverfahren und Bauelementen als ein Tunneloxid verwendet werden könnte. Andere isolierende Materialien jedoch könnten hier auch verwendet werden.
7a zeigt ein Spin-Bauelement 100 gemäß einem weiteren Beispiel, das dem in 3 gezeigten Beispiel ähnelt. Wieder weist das Spin-Bauelement 100 lateral und geometrisch entkoppelte Komponenten oder Strukturen für die spinselektive Streuung einerseits und Steuerung des Betrags des Stroms andererseits auf. Um dies zu erzielen, bildet die Zwischenhalbleiterregion 120, die in dem Substrat 110 beinhaltet ist, eine Grenzfläche 180 in Bezug auf die spinselektive Streustruktur 170 und eine weitere Grenzfläche 280 in Bezug auf eine weitere isolierende Schicht 270, die Steuerelektrode 190 und den Steuerkontakt 200 andererseits. Die Oberfläche der Zwischenhalbleiterregion 120 weist so zumindest die Grenzfläche 180, die während der spinselektiven Streuung verwendet wird, und die weitere Grenzfläche 280, in deren Nähe die Steuerung des Betrags des fließenden Stroms durchgeführt wird, auf.
Die spinselektive Streustruktur 170 weist eine Magnesiumoxidschicht 400 und eine ferromagnetische Schicht 410 auf, wie in 5a gezeigt ist. Die Magnesiumoxidschicht 400 grenzt zumindest teilweise an die Zwischenhalbleiterregion 120 an, so dass die Grenzfläche 180 zwischen den beiden gebildet wird.
Das Spin-Bauelement 100, wie es in 7a gezeigt ist, ist wieder ein Spin-Bauelement, das auf einem FET-Entwurf basiert. Folglich wird der erste Anschluss 130 auch als ein Source-Anschluss bezeichnet, während der zweite Anschluss 140 auch als der Drain-Anschluss bezeichnet wird. Folglich wird die weitere isolierende Schicht 270 auch als ein Gate-Oxid (GOX) bezeichnet, während die Steuerelektrode 190 als die Gate-Elektrode bezeichnet wird. Der Steuerkontakt 200 wird deshalb auch als der Gate-Kontakt bezeichnet.
Bei dem Spin-Bauelement 100, wie es in 7a gezeigt ist, durchläuft der Strom zuerst die spinselektive Streustruktur 170 und wird danach in Bezug auf seinen Betrag durch das elektrische Feld senkrecht zu der Richtung des Stroms 210 gesteuert, indem die entsprechende Gate-Spannung an die Steuerelektrode 190 angelegt wird. Die spinselektive Streustruktur 170 und die Steuerelektrode 190 bilden gemeinsam mit der weiteren isolierenden Schicht 270 eine „Serienschaltung”, bei der die spinselektive Streustruktur 170 vor die Steuerelektrode 190 geschaltet ist.
Die Reihenfolge der spinselektiven Streustruktur 170 und der Steuerelektrode 190 jedoch ist bei weitem nicht verpflichtend. Wie in dem Zusammenhang mit 3 dargelegt wurde, kann der Fluss des Stroms gleichermaßen umgekehrt werden.
7b zeigt ein entsprechendes Spin-Bauelement 100, das sich von dem in 7a gezeigten Spin-Bauelement 100 hauptsächlich in Bezug auf die Reihenfolge der spinselektiven Streustruktur 170 und der Steuerelektrode 190 unterscheidet. Mit anderen Worten, in dem Fall des Spin-Bauelements 100, wie es in 7b gezeigt ist, ist die spinselektive Streustruktur 170 hinter die Steuerelektrode 190 geschaltet.
Es wird darauf verwiesen, dass den Spin-Bauelementen 100, wie in den 7a und 7b gezeigt, die Möglichkeit eines Beeinflussens der Spin-Orientierung durch Anlegen einer geeigneten Spannung an die spinselektive Streustruktur fehlen könnte, deshalb jedoch die Möglichkeit eines Entkoppelns der spinselektiven Streustruktur 170 von den Einflüssen des vertikal angelegten elektrischen Feldes der Steuerelektrode 190 bieten könnte. Es kann deshalb möglich sein, unerwünschte parasitäte Effekte, die durch das senkrechte elektrische Feld bewirkt werden, zu reduzieren oder sogar aufzuheben.
8a zeigt ein weiteres Beispiel eines Spin-Bauelements, das dem Spin-Bauelement 100, wie es in 7b gezeigt ist, ähnelt. Genauer gesagt unterscheidet sich das Spin-Bauelement 100, wie es in 8a gezeigt ist, nur in Bezug auf die spinselektive Streustruktur 170. Außer der Magnesiumoxidschicht 400, die zusammen mit zumindest einem Teil der Zwischenhalbleiterregion 120 und der ferromagnetischen Schicht 410 die Grenzfläche 180 bildet, weist die spinselektive Streustruktur 170 ferner einen Vorspannkontakt 460 auf. Deshalb kann die ferromagnetische Schicht 410 in dem Fall eines Verwendens eines ferromagnetischen leitfähigen Materials (zum Beispiel eines ferromagnetischen Metalls) als ferromagnetische Schicht 410 als eine Vorspannelektrode 470 verwendet werden.
Durch Einführen eines derartigen Vorspannkontakts 460 können die spinselektiven Streueigenschaften der spinselektiven Streustruktur 170 letztendlich verändert werden. Durch Anlegen der entsprechenden Spannung können die Ladungsträger des Stroms in Richtung der Grenzfläche 180 angezogen werden, so dass die spinselektiven Streueigenschaften verbessert werden können, indem die Anzahl von Wechselwirkungen der Ladungsträger mit der Grenzfläche 180 erhöht wird. Folglich kann es möglich sein, den erzielbaren Grad einer Spin-Polarisation zu beeinflussen.
8b zeigt eine Querschnittsansicht eines weiteren Spin-Bauelements 100. Das Spin-Bauelement 100 aus 8b unterscheidet sich von dem in 7a gezeigten Spin-Bauelement 100 hauptsächlich in Bezug auf eine zusätzliche Vorspannelektrode 470, die elektrisch mit einem Vorspannkontakt 460 gekoppelt ist. Die Vorspannelektrode 470 ist auf der ferromagnetischen Schicht 410 angeordnet und von derselben durch eine isolierende Schicht 480 getrennt, die die ferromagnetische Schicht 410 zumindest in einem Bereich, in dem die Vorspannelektrode 470 aufgebracht ist, bedeckt. Die isolierende Schicht 480 isoliert so die Vorspannelektrode 470 elektrisch von der ferromagnetischen Schicht 410.
Durch elektrisches Isolieren der Vorspannelektrode 470 von der ferromagnetischen Schicht 410 kann es möglich sein, unerwünschte Einflüsse zu reduzieren, die durch einen Strom bewirkt werden können, der auf Grund eines direkten Kontakts der ferromagnetischen Schicht 410 mit dem Vorspannkontakt 460, wie dies in dem Fall des in 8a gezeigten Spin-Bauelements 100 der Fall ist, in die ferromagnetische Schicht 410 fließt. Das Spin-Bauelement 100 aus 8b kann die Möglichkeit eines Anlegens einer Spannung an die Vorspannelektrode 470 in einer derartigen Weise, dass die Ladungsträger des Stroms, der von dem ersten Anschluss 130 (Source-Anschluss) zu dem zweiten Anschluss 140 (Drain-Anschluss) fließt, in Richtung der Grenzfläche 180 angezogen werden können, bieten. Dies kann zu einer Erhöhung der Anzahl von Wechselwirkungen der Ladungsträger mit der spinselektiven Streustruktur 170, die nicht nur die Magnesiumoxidschicht 400, die ferromagnetische Schicht 410, sondern auch die Vorspannelektrode 470, die isolierende Schicht 480 und den Vorspannkontakt 460 aufweist, führen. So kann verglichen mit dem Spin-Bauelement, wie es in 7a gezeigt ist, ein Implementieren der Vorspannelektrode 470 wieder die Möglichkeit eines Verbesserns des Spin-Polarisationseffekts des Spin-Bauelements 100 bieten.
Es soll aus Gründen der Vollständigkeit angemerkt werden, dass wieder die Richtung des Stroms bei weitem nicht auf einen Strom eingeschränkt ist, der von dem ersten Anschluss 130 zu dem zweiten Anschluss 140 fließt. Die Reihenfolge der spinselektiven Streustruktur 170 und der Steuerstruktur, die die weitere isolierende Schicht 270 (zum Beispiel Gate-Oxid) zusammen mit der Steuerelektrode 190 (Gate-Elektrode) aufweist, kann nicht nur für das in 8a gezeigte Spin-Bauelement 100, sondern auch für das in 8b gezeigte Spin-Bauelement 100 umgekehrt werden. Mit anderen Worten, die Steuerelektrode 190 kann entweder vor oder hinter der spinselektiven Streustruktur 170 angeordnet sein.
9a zeigt ein weiteres Spin-Bauelement 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit räumlich und geometrisch getrennten Komponenten, die die Spin-Streuung und die Steuerung des Betrags des Stroms, der zwischen dem ersten Anschluss 130 und dem zweiten Anschluss 140 des Spin-Bauelements 100 fließt, betreffen. Das Spin-Bauelement 100 aus 9a weist verglichen mit dem in 7b gezeigten Spin-Bauelement 100 eine ähnliche Struktur auf. Es unterscheidet sich von seinem Gegenstück in 7b hauptsächlich in Bezug auf die Komponente zum Steuern des Betrags des Stroms, der von dem ersten Anschluss 130 zu dem zweiten Anschluss 140 fließt. Während die spinselektive Streustruktur 170 des Spin-Bauelements 100 aus 9a identisch zu der spinselektiven Streustruktur 170 aus 7b ist, weist das Spin-Bauelement 100 aus 9a eine Floating-Gate-Elektrode 430 und eine isolierende Schicht 440 (zum Beispiel ein Oxid oder ONO (Oxid-Nitrid-Oxid)) auf. Folglich ist die Floating-Gate-Elektrode 430, die aus Polysilizium hergestellt sein kann, elektrisch von der Zwischenhalbleiterregion 120 durch die weitere isolierende Schicht 270 und von der Steuerelektrode 190 (Steuergate) durch die isolierende Schicht 440 isoliert.
Wie in dem Zusammenhang mit den 6a und 6b bereits herausgestellt wurde, kann dies die Möglichkeit eines Bereitstellens einer elektrischen Ladung an die Floating-Gate-Elektrode 430, um deren Ladungszustand zu verändern, bieten, so dass die Ladung, wie auf der Floating-Gate-Elektrode 430, ein elektrisches Feld senkrecht zu der Richtung 210 des Stroms von dem ersten Anschluss 130 zu dem zweiten Anschluss 140 erzeugt. Dieses elektrische Feld ist dem senkrechten elektrischen Feld, das durch Laden der Steuerelektrode 190 während eines Betriebs des Spin-Bauelements 100 bewirkt wird, überlagert. Folglich kann durch Laden der Floating-Gate-Elektrode 430 ein Vorgabezustand des Spin-Bauelements 100 beeinflusst werden, um zum Beispiel eine spezielle Spannung, die an die Steuerelektrode 190 angelegt werden soll, um den Strom in der Zwischenhalbleiterregion 120 einzuschalten oder abzuschalten, zu erhöhen oder zu senken.
Die Floating-Gate-Elektrode 430 kann durch Tunneln von Ladungsträgern von der Steuerelektrode 190 zu der Floating-Gate-Elektrode 430 unter Durchlaufen der isolierenden Schicht 440 oder von der Zwischenhalbleiterregion 120 unter Durchlaufen der weiteren isolierenden Schicht 270 geladen werden. In Abhängigkeit von der konkreten Implementierung des Spin-Bauelements 100 kann die weitere isolierende Schicht 270 zum Beispiel auch als ein Tunneloxid bezeichnet werden, wenn das Laden oder Entladen der Floating-Gate-Elektrode 430 über die Zwischenhalbleiterregion 120 erzielt wird. Das Anlegen einer jeweiligen Spannung an die Zwischenhalbleiterregion 120 kann zum Beispiel durch Bereitstellen der entsprechenden Spannung an einen beliebigen oder an beide der Anschlüsse 130, 140 erzielt werden.
Andererseits können die Ladungsträger auch auf die Floating-Gate-Elektrode 430 tunneln, indem sie die isolierende Schicht 440 durchlaufen, wenn eine geeignete Spannung an die Steuerelektrode 190 angelegt wird.
9b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung in der Form eines Spin-Bauelements 100, das sich von dem Spin-Bauelement 100 aus 9a hauptsächlich in Bezug auf die Reihenfolge unterscheidet, in der die spinselektive Streustruktur 170 und die Struktur zum Steuern des Betrags des Stroms, die die weitere isolierende Schicht 270, die Floating-Gate-Elektrode 430, die isolierende Schicht 440 und die Steuerelektrode 190 aufweist, angeordnet sind. In dem Fall des Spin-Bauelements 100 aus 9b ist die Struktur zum Steuern des Betrags des Stroms in Bezug auf die Richtung 210 des Stroms, der von dem ersten Anschluss 130 zu dem zweiten Anschluss 140 fließt, hinter der spinselektiven Streustruktur 170 angeordnet.
10a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung in der Form des Spin-Bauelements 100, das dem Spin-Bauelement 100 aus 9a ähnelt. Das Spin-Bauelement 100 aus 10a unterscheidet sich von dem Spin-Bauelement 100 aus 9a in Bezug auf die spinselektive Struktur 170, die einen Vorspannkontakt 460 aufweist, was die Bereitstellung einer Vorspannung an die ferromagnetische Schicht 410 ermöglicht, um die Anzahl von Wechselwirkungen von Ladungsträgern in der Zwischenhalbleiterregion 120 mit der Grenzfläche 180 zu erhöhen. Wie im Zusammenhang mit den 8a und 8b dargelegt wurde, kann dies zu einer erhöhten Anzahl von Wechselwirkungen führen, da die Ladungsträger in Richtung der Grenzfläche 180 angezogen werden, so dass der Grad spinpolarisierter Ladungsträger des Stroms verglichen mit dem in 9a gezeigten Spin-Bauelement 100 erhöht werden kann. Folglich kann die ferromagnetische Schicht 410 in dem Fall, dass die ferromagnetische Schicht 410 eine leitende Schicht (zum Beispiel eine metallische Schicht) ist, als eine Vorspannelektrode 470 verwendet werden.
Außerdem weist das Spin-Bauelement 100 auch die Floating-Gate-Elektrode 430 auf, die über die Isolierungsschicht 440, die die Steuerelektrode 190 elektrisch von der Floating-Gate-Elektrode 430 isoliert, oder über die weitere isolierende Schicht 270 (zum Beispiel Tunneloxid), die die Floating-Gate-Elektrode 430 von der Zwischenhalbleiterregion 120 isoliert, geladen werden kann.
10b zeigt ein weiteres Spin-Bauelement 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das dem Spin-Bauelement 100 aus 9b in Bezug auf die Struktur, die die Steuerelektrode 190, die isolierende Schicht 440, die Floating-Gate-Elektrode 430 und die weitere isolierende Schicht 270 aufweist, sowie die umgekehrte Stromrichtung verglichen mit dem in 10a gezeigten Spin-Bauelement 100 ähnelt. In Bezug auf die spinselektive Streustruktur 170 jedoch weist das Spin-Bauelement 100 ferner eine separat implementierte Vorspannelektrode 470 auf, die elektrisch von der ferromagnetischen Schicht 410 durch eine isolierende Schicht 480 isoliert ist, die zwischen den beiden zuvor erwähnten Schichten aufgebracht ist. Die Vorspannelektrode 470 kann über einen Vorspannkontakt 460 elektrisch mit weiteren Schaltungen oder Strukturen gekoppelt sein.
Wie zuvor im Zusammenhang mit 8b dargelegt wurde, muss die isolierende Schicht 480 nicht die gesamte ferromagnetische Schicht 410 mit nur der Region, über der die Vorspannelektrode 470 aufgebracht ist, bedecken. Außer einem Verhindern unerwünschter Einflüsse auf die ferromagnetische Schicht 410 kann die Verwendung einer separaten Vorspannelektrode 470 außerdem in dem Fall ratsam sein, dass die ferromagnetische Schicht eine isolierende Schicht (zum Beispiel Magnetit) ist. Letztendlich kann die isolierende Schicht 480 in einem derartigen Fall weggelassen werden.
Die 11a und 11b zeigen eine Draufsicht eines Spin-Bauelements 100, das als ein laterales Bauelement implementiert ist, während 11a eine Querschnittsansicht entlang einer Linie 250, die in 11b angezeigt ist, durch das Bauelement zeigt. Das Spin-Bauelement 100 weist verglichen mit den zuvor beschriebenen Spin-Bauelementen 100 in den 5 bis 10 eine komplexere Struktur auf. Folglich wird das in 11 gezeigte Spin-Bauelement 100 unter gleichzeitiger Bezugnahme auf die drei 11a, 11b und 11c beschrieben.
Das Spin-Bauelement 100 weist wieder eine Zwischenhalbleiterregion 120 auf, die in einem Substrat 110 beinhaltet ist. Das Substrat 110 kann zum Beispiel Silizium (Si) aufweisen oder kann ein Siliziumsubstrat sein. Die Zwischenhalbleiterregion 120 grenzt an den ersten Anschluss 130 (Source-Anschluss) und den zweiten Anschluss 140 (Drain-Anschluss), die in 11a mit der Zwischenhalbleiterregion 120 entlang einer sich horizontal erstreckenden Richtung ausgerichtet sind, an. Der Kontakt für die Steuerelektroden, die in den 11a und 11b nicht gezeigt sind, erstreckt sich entlang einer Linie, die senkrecht zu der horizontalen Orientierung ist, die durch Pfeile 800 angezeigt wird. Folglich zeigt die Querschnittsansicht aus 11c die Steuerelektrode 190, zeigt jedoch nicht den ersten und den zweiten Anschluss 130, 140, da die Linie 250 der Richtung der Querschnittsansicht aus 11c keinen der beiden Anschlüsse 130, 140 kreuzt.
Die Querschnittsansicht aus 11c zeigt, dass die Zwischenhalbleiterregion 120 als eine Mesa-Struktur mit zwei Seitenwänden und einer oberen Oberfläche gebildet ist. Eine Magnesiumoxidschicht 400, die in der spinselektiven Streustruktur 170 (in 11c nicht als solche bezeichnet) beinhaltet ist, ist so aufgebracht, dass entlang beider Seitenwände und der oberen Wand Grenzflächen 180 durch die aufgebrachte Magnesiumoxidschicht 400 gebildet werden. Die Magnesiumoxidschicht 400 wiederum ist durch eine ferromagnetische Schicht 410 bedeckt, die wiederum durch eine Gate-Oxidschicht 420 bedeckt ist. Folglich sind beide Seitenwände und die obere Oberfläche der Mesa-artigen strukturierten Zwischenhalbleiterregion 120 durch einen Stapel bedeckt, der die Abfolge einer Magnesiumoxidschicht 400, einer ferromagnetischen Schicht 410 und einer Gate-Oxidschicht 420 aufweist, derart, dass die Magnesiumoxidschicht 400 sich aus den Seitenwänden und der oberen Oberfläche der Zwischenhalbleiterregion 120 und den Grenzflächen 180 bildet.
Wie zuvor dargelegt wurde, kann die ferromagnetische Schicht 410 ein beliebiges der zuvor erwähnten ferromagnetischen Materialien aufweisen. Mit anderen Worten, die ferromagnetische Schicht 410 kann entweder eine leitfähige oder metallische ferromagnetische Schicht sowie eine halbleitende oder isolierende ferromagnetische Schicht sein.
Auf der Gate-Oxidschicht 420 ist eine Steuerelektrode 190 aufgebracht. 11c zeigt den Fall, dass nur die obere Oberfläche der Mesa-strukturierten Zwischenhalbleiterregion 120 zumindest teilweise durch die Steuerelektrode 190 bedeckt ist. Bei unterschiedlichen Beispielen des Spin-Bauelements jedoch, was in 11c durch gestrichelte Linien schematisch dargestellt ist, kann die Steuerelektrode 190 auch einen größeren Abschnitt der oberen Oberfläche der Zwischenhalbleiterregion 120 und/oder eine oder mehrere Seitenwände der Zwischenhalbleiterregion 120 teilweise oder vollständig bedecken. Folglich können in dem Fall eines Spin-Bauelements 100 in dem lateralen Entwurf bis zu drei Kanalregionen im Inneren der Zwischenhalbleiterregion 120 nahe an den Grenzflächen 180 an den jeweiligen Seitenwänden und der oberen Oberfläche gebildet sein.
Natürlich können Beispiele des Spin-Bauelements 100 auf der Basis des in 11 gezeigten Entwurfs auch Vorspannelektroden oder Floating-Gate-Elektroden aufweisen, die abhängig von bestimmten Entwurfs- und Betriebsparametern elektrisch isoliert sein oder in elektrischem Kontakt mit der ferromagnetischen Schicht 410 stehen können. Deshalb können Spin-Bauelemente 100 auch komplexere Gate-Stapel aufweisen.
Die 12a und 12b zeigen ein Spin-Bauelement 100 in der Form eines lateralen Bauelements, wie bereits im Zusammenhang mit 11 beschrieben wurde, mit mehreren Strukturen. Das Spin-Bauelement 100, wie es in den 12a und 12b gezeigt ist, weist zwei separate Zwischenhalbleiterregionen 120-1, 120-2 auf, die jeweils an einen ersten Anschluss 130-1, 130-2 bzw. einen zweiten Anschluss 140-1, 140-2 angrenzen.
Ähnlich wie bei dem in 11 gezeigten lateralen Bauelement sind die Steuerelektroden 190, die in 12a nicht gezeigt sind, entlang einer Linie, die senkrecht in Bezug auf eine Linie ist, die den ersten und den zweiten Anschluss 130, 140 jeder der beiden parallel im Nebenschluss geschalteten Zwischenhalbleiterregionen 120 miteinander verbindet, verbunden. Diese Linie ist auch durch die Pfeile 800, die in 12a gezeigt sind, angezeigt.
Um die Beschreibung des Spin-Bauelements 100, wie es in 12a gezeigt ist, zu vereinfachen, ist eine Linie 250 in 12a gezeigt, die eine Richtung anzeigt, entlang derer 12b eine entsprechende Querschnittsansicht durch das Spin-Bauelement 100 zeigt.
Die Querschnittsansicht des Spin-Bauelements 100 stellt dar, dass die beiden Zwischenhalbleiterregionen 120-1, 120-2 auf einem Substrat 110 basiert sind und jeweils Mesa-Formen aufweisen. Das Substrat 110 könnte zum Beispiel Silizium aufweisen oder könnte ein Siliziumsubstrat sein. Jede der beiden Mesa-Strukturen weist deshalb jeweils zwei Seitenwände und eine obere Oberfläche auf.
Die Seitenwände und die obere Oberfläche der ersten Zwischenhalbleiterregion 120-1 sind bei dem in 12b gezeigten Ausführungsbeispiel vollständig durch eine erste spinselektive Streustruktur 170-1 bedeckt. Die erste spinselektive Streustruktur 170-1 weist eine erste Magnesiumoxidschicht 400-1 und eine erste ferromagnetische Schicht 410-1 auf, die derart auf die Mesa-Struktur der Zwischenhalbleiterregion 120-1 aufgebracht sind, dass entlang der Seitenwände und entlang der oberen Oberfläche drei Grenzflächen 180-1 gebildet werden. Entsprechend ist auch die zweite Zwischenhalbleiterregion 120-2 durch eine zweite spinselektive Streustruktur 170-2 bedeckt, die eine zweite Magnesiumoxidschicht 400-2 und eine zweite ferromagnetische Schicht 410-2 aufweist, die derart auf die Mesa-Struktur der zweiten Halbleiterregion 120-2 aufgebracht sind, dass die zweite Magnesiumoxidschicht 400-2 drei Grenzflächen 180-2 entlang der Seitenwände und der oberen Oberfläche bildet.
Die erste und die zweite spinselektive Streustruktur 170-1, 170-2 sind dann durch eine gemeinsame oder zwei unterschiedliche Gate-Oxidschichten 420 bedeckt, die eine laterale Isolierung der ferromagnetischen Schichten 410-1, 410-2 in Bezug auf Steuerelektroden 190-1, 190-2 bereitstellen, die auf der oberen Oberfläche der entsprechenden Zwischenhalbleiterregionen 120-1 bzw. 120-2 aufgebracht sind.
In dem Fall der FET-basierten Implementierung des in 12a und 12b gezeigten Spin-Bauelements 100 können durch Anlegen entsprechender Steuerspannungen an die beiden Steuerelektroden 190-1, 190-2 Kanalregionen oder Kanäle während eines Betriebs in der Umgebung der Grenzflächen 180-1, 180-2 an den oberen Oberflächen der Mesas 120-1, 120-1 gebildet werden.
Das Spin-Bauelement 100 könnte jedoch nicht nur eine parallele Implementierung zweier der Spin-Bauelemente 100, wie diese in 11a gezeigt sind, sein, sondern die einzelnen Strukturen des Spin-Bauelements 100 könnten sich voneinander unterscheiden. Die spinselektiven Streustrukturen 170-1, 170-2 zum Beispiel könnten derart angepasst sein, dass die beiden Ladungsträger mit unterschiedlichen bevorzugten Spin-Orientierungen bereitstellen. In dem Fall der spinselektiven Streustrukturen 170, die eine Magnesiumoxidschicht 400 und eine ferromagnetische Schicht 410 aufweisen, wie schematisch in 12b dargestellt ist, kann dies durch Implementieren der Magnesiumoxidschichten mit einer unterschiedlichen Dicke, wie im Zusammenhang mit 4 dargelegt wurde, erzielt werden.
Basierend auf den zuvor beschriebenen Ergebnissen könnte die Magnesiumoxidschicht 400-1 der ersten spinselektiven Streustruktur 170-1 zum Beispiel eine Dicke von 0,2 nm (2 Å) aufweisen, während die Magnesiumoxidschicht 400-2 der zweiten spinselektiven Streustruktur 170-2 zum Beispiel eine Dicke von etwa 0,7 nm bis 0,8 nm (7 Å bis 8 Å) aufweisen könnte. Natürlich ist ein Implementieren der spinselektiven Streustrukturen 170-1, 170-2 in der beschriebenen Weise bei weiten nicht erforderlich. Im Prinzip könnte ein Implementieren der spinselektiven Streustrukturen mit der gleichen Magnesiumoxidschichtdicke auch in Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Erfindung realisiert werden.
Wie in dem Zusammenhang mit 11 bereits dargelegt wurde, zeigt 12 ein Spin-Bauelement mit einem ziemlich einfachen oberen Gate-Stapel. Einer oder beide Stapel, die auf den Zwischenhalbleiterregionen 120-1, 120-2 bereitgestellt sind, könnten ferner eine Floating-Gate-Elektrode, zusätzliche isolierende Schichten, eine Vorspannelektrode oder andere zusätzliche Schichten, wie zuvor beschrieben wurde, aufweisen.
Wie die vorherige Beschreibung des in 12 gezeigten Spin-Bauelements 100 gezeigt hat, können Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung in einer derartigen Weise implementiert werden, dass eine vorbestimmte oder „feste” Spin-Streueigenschaft aus der Dicke der Magnesiumoxidschicht 400 der jeweiligen spinselektiven Streustruktur 170 allein resultieren kann. Da es möglich ist, unterschiedliche Spin-Polarisationsorientierungen basierend auf einem Variieren der Dicke der Magnesiumschicht 400 alleine zu erzielen, ohne eine Magnetisierungsorientierung der ferromagnetischen Schicht 410, die auf der Magnesiumoxidschicht 400 aufgebracht ist, zu verändern, können Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in 12 gezeigt ist, als ein Spin-Injektor zum Injizieren eines Stroms mit einer Spin-Polarisation, die sich von einem unpolarisierten Strom unterscheidet, verwendet werden. Ferner kann durch ein Verwenden eines Spin-Bauelements 100 in der beschriebenen Weise mit zwei unterschiedlichen spinselektiven Streustrukturen 170 ein Umschalten zwischen unterschiedlichen Spin-Orientierungen möglich sein, ohne eine gemeinsame Magnetisierung oder Orientierung der betroffenen ferromagnetischen Schichten 410 zu verändern.
Deshalb können Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung eine selektive Spin-Injektion bereitstellen, die über eine Steuerelektrode (Gate-Elektrode), die zwei unterschiedliche Spin-Richtungen bereitstellt, gesteuert werden kann, während nur eine effektive Magnetisierung oder Richtung des an dem Bauelement aktiven Magnetfelds vorliegt. Dies kann in stark integrierten Schaltungen wichtig werden, bei denen unterschiedliche Strukturen des Spin-Bauelements 100, wie in 12 gezeigt ist, oder unterschiedliche Spin-Bauelemente 100 eng beieinander auf dem gleichen Chip oder der gleichen Form angeordnet sind. In diesem Fall können durch ein Einsetzen von Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Erfindung die ferromagnetischen Schichten 410 der spinselektiven Streustrukturen 170 mit einer gemeinsamen Orientierung oder einer gemeinsamen Magnetisierungsrichtung verwendet werden. Verglichen mit einer Lösung, die unterschiedliche Magnetisierungen oder unterschiedliche Richtungen von Magnetisierungen für unterschiedliche Spin-Injektoren erforderlich macht, können Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung unerwünschte parasitäre Interferenzen zwischen den unterschiedlichen ferromagnetischen Schichten wesentlichen reduzieren.
Ferner kann es, wie die Beschreibung der zuvor erwähnten Ausführungsbeispiele bereits gezeigt hat, durch die Verwendung einer Isolationsschicht als Tunnelbarriere zwischen der Steuerelektrode, dem ferromagnetischen Material oder einer Floating-Gate-Elektrode möglich sein, das Spin-Bauelement 100 in dem Betriebsmodus als einen Spin-Injektor, als ein Speicherelement, das auf ein Adressieren (zum Beispiel Anlegen einer Spannung an den ersten und den zweiten Anschluss 130, 140) hin einen Strom mit einer vorbestimmten Spin-Polarisation bereitstellt, zu verwenden. Es kann deshalb möglich sein, das Spin-Bauelement 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auch als ein Speicherelement für eine Spintronik-Anwendung zu verwenden.
Wie die Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung, die in 12a gezeigt sind, bereits gezeigt hat, können die oben erwähnten Effekte, Herausforderungen und Anforderungen durch ein Spin-Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit zum Beispiel einem einzelnen Metall-Magnesiumoxid-Halbleiter (Drift) erfüllt werden. Jedes dieser Bauelemente kann einen ersten Anschluss (Source-Region, Source-Kontakt) und einen zweiten Anschluss (Drain-Region, Drain-Kontakt) sowie einen bestimmten Gate-Kontakt auf der Magnesiumoxidschicht mit einer definierten Dicke zwischen den beiden zuvor erwähnten Anschlüssen einsetzen.
13a zeigte eine perspektivische Darstellung eines Spin-Bauelements 100 mit einem ersten Kontakt 150 (Source-Metallkontakt), einer Steuerelektrode 190 (Gate-Elektrode) und einem zweiten Kontakt 160 (Drain-Metallkontakt). Lediglich aus Gründen der Einfachheit sind die Anschlüsse sowie die Zwischenhalbleiterregionen in 13a nicht gezeigt.
Zwischen dem ersten Kontakt 150 und dem zweiten Kontakt 160 ist eine spinselektive Streustruktur 170 angeordnet. Genauer gesagt befindet sich zwischen dem ersten Kontakt 150 und dem zweiten Kontakt 160 die Spin-Streustruktur 170, die eine erste Magnesiumoxidschicht 400a, die in direktem Kontakt mit dem Halbleitersubstrat 110 steht, um die Grenzfläche 180 (in 13a nicht gezeigt) zu bilden, eine optionale zweite Magnesiumoxidschicht 400b und eine ferromagnetische Schicht 410, die auch angepasst ist, um als die jeweilige Steuerelektrode 190 zu wirken, aufweist. Es wird darauf verwiesen, dass die zweite Magnesiumoxidschicht 400b optional ist und so, falls dies geeignet ist, weggelassen werden kann. Sie muss nicht vorhanden sein.
Bezüglich möglicher Auswahlen für Materialien und andere verwandte Eigenschaften und Merkmale wird Bezug auf die Beschreibung des in 13b gezeigten Spin-Bauelements 100 genommen. Ein möglicher Betriebsmodus wird außerdem in dem Zusammenhang mit 13b beschrieben.
13b zeigt eine perspektivische Darstellung eines vorgeschlagenen Spin-Bauelements 100 mit einem gemeinsamen ersten Kontakt 150 (Source-Metallkontakt), zwei Steuerelektroden 190-1, 190-2 (Gate-Elektroden 1 und 2) und zwei zweiten Kontakten 160-1, 160-2 (Drain-Metallkontakten). Lediglich aus Gründen der Einfachheit sind die Anschlüsse sowie die Zwischenhalbleiterregionen in 13b nicht gezeigt.
Zwischen dem gemeinsamen ersten Kontakt 150 und jedem der zwei zweiten Kontakte 160-1, 160-2 sind spinselektive Streustrukturen 170 angeordnet. Genauer gesagt befindet sich zwischen dem ersten Kontakt 150 und dem zweiten Kontakt 160-1 eine erste Spin-Streustruktur 170, die eine Magnesiumoxidschicht 400-1, die in direktem Kontakt mit dem Halbleitersubstrat 110 steht, um die Grenzfläche 180 (in 13b nicht gezeigt) zu bilden, und eine ferromagnetische Schicht 410-1 aufweist, die ebenso angepasst ist, um als die jeweilige Steuerelektrode 190-1 zu wirken.
Eine zweite spinselektive Streustruktur 170-2 ist zwischen dem ersten Kontakt 150 und dem zweiten Kontakt 160-2 angeordnet. Zusätzlich weist die zweite spinselektive Streustruktur 170-2 eine ferromagnetische Schicht 410-2 auf, die angepasst ist, um als die Steuerelektrode 190-2 der jeweiligen Struktur zu wirken. Im Unterschied zu der ersten spinselektiven Streustruktur 170-1 jedoch weist die zweite spinselektive Streustruktur 170-2 zwei Magnesiumoxidschichten 400-2a, 400-2b auf, wobei die Magnesiumoxidschicht 400-2a an die Zwischenhalbleiterregion 120 (in 13b nicht gezeigt) angrenzt, um die entsprechende Grenzfläche 180 (in 13b nicht gezeigt) zu bilden. Die Magnesiumoxidschicht 400-2b befindet sich zwischen der Magnesiumoxidschicht 400-2a und der ferromagnetischen Schicht 410-2.
Das in 13b gezeigte Spin-Bauelement 100 basiert auf dem Verwenden einer metallischen ferromagnetischen Schicht 410-1, 410-2, die auch in der Lage ist, als die Gate-Elektrode oder Steuerelektrode 190-1, 190-2 zu wirken. Ferner sind, wie oben angemerkt wurde, der gemeinsame erste Kontakt 150 sowie die beiden zweiten Kontakte 160-1, 160-2 als metallische Kontakte implementiert, die zum Beispiel Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Titan (Ti), Wolfram (W), Tantal (Ta), Gold (Au), Silber (Ag) oder andere Metalle und Legierungen aufweisen. Bei unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Erfindung können der erste Kontakt und die zweiten Kontakte 150, 160 sowie andere beschriebene metallische Komponenten/Strukturen auch basierend auf einem Silizid (zum Beispiel binären chemischen Verbindungen mit Silizium (Si), zum Beispiel TiSi₂) implementiert sein.
Die erste und die zweite spinselektive Streustruktur 170-1, 170-2 zusammen mit den jeweiligen Gate-Elektroden 190-1, 190-2 weisen in einer derartigen Weise unterschiedliche Dicken der Magnesiumoxidschichten auf, dass Elektronen oder andere Ladungsträger mit unterschiedlichen Spin-Orientierungen unterschiedlich gestreut werden. Während die Magnesiumoxidschicht 400-1 und die Magnesiumoxidschicht 400-2a zum Beispiel während der gleichen Herstellungsverfahrensschritte mit der gleichen Dicke gefertigt werden könnten, wird die Magnesiumoxidschicht 400-2b, die auf die Magnesiumoxidschicht 400-2a aufgebracht ist, nur in dem Rahmen eines Bildens der zweiten spinselektiven Streustruktur 170-2 aufgebracht.
Um die zuvor beschriebenen unterschiedlichen Spin-Streueigenschaften zu erzielen, die auch durch die schematisch dargestellten Elektronen 810-1, 810-2 in 13b angezeigt sind, können die Magnesiumoxidschichten 400-1, 400-2a zum Beispiel eine Dicke von 3 atomaren Schichten oder Monoschichten aufweisen. Im Gegensatz dazu kann die Magnesiumoxidschicht 400-2b, die in der zweiten spinselektiven Streustruktur 170-2 beinhaltet ist, eine Dicke von 5 Monoschichten oder atomaren Schichten aufweisen.
Natürlich können, obwohl bei dem in 13b gezeigten Ausführungsbeispiel die ferromagnetischen Schichten 410-1, 410-2 angepasst sind, um direkt als die Steuer- oder Gate-Elektroden 190-1, 190-2 zu arbeiten, auch wieder komplexere Gate-Stapel, die zum Beispiel zusätzliche isolierende Schichten aufweisen, eingesetzt werden.
Unter Betrachtung der Funktion des Spin-Bauelements 100, wie es in 13b gezeigt ist, ist es möglich, einen Weg für die Ladungsträger (zum Beispiel die Elektronen 810) zu adressieren, indem eine der beiden gezeigten Metall-Magnesiumoxid-Halbleiterstrukturen adressiert wird, indem geeignete Steuerspannungen an die Steuerelektroden 190-1, 190-2 geliefert werden. Es ist deshalb möglich, das Spin-Bauelement 100 abzuschalten, indem eine entsprechende Spannung an beide Steuerelektroden 190 geliefert wird, um einen unpolarisierten Strom bereitzustellen, indem die Steuerelektroden 190 mit derartigen Spannungen versorgt werden, dass an den zweiten Kontakten 160-1, 160-2 Ströme gleichen Betrags und gleichen Grads, jedoch von entgegengesetzter Spin-Orientierung bereitgestellt werden. Ferner können Steuerspannungen an die Steuerelektroden 190-1, 190-2 angelegt werden, die es ermöglichen, dass das Spin-Bauelement 100 einen Strom mit einem steuerbaren Betrag und einem steuerbaren Grad einer Spin-Polarisation bis zu einem Wert, der durch eine einzelne spinselektive Streustruktur 170 erzielbar ist, bereitstellt.
In dem Fall eines Spin-Bauelements 100 zum Beispiel, das auf Silizium basiert, mit seiner sehr langen Spin-Diffusionslänge von bis zu mehreren Zentimetern ist es möglich, nicht nur die ersten Anschlüsse (in 13b nicht gezeigt) der beiden Strukturen miteinander zu koppeln, sondern auch die zweiten Anschlüsse (in 13b nicht gezeigt). Hierdurch kann es möglich sein, im Inneren des Halbleitersubstrats 110 einen spinpolarisierten Strom mit einem steuerbaren Betrag und einem steuerbaren Grad einer Spin-Polarisation zu erzielen. Ein derartiger Strom kann dann durch weitere Spintronik-verwandte Bauelemente weiter verarbeitet oder beeinflusst werden.
Natürlich können außer den erwähnten isolierenden Magnesiumoxidschichten andere Materialien als Magnesiumoxid stattdessen verwendet werden, unter der Voraussetzung, dass diese Materialien ähnliche Spin-Streueigenschaften aufweisen. Ferner kann in dem Fall, dass die Spin-Streueigenschaften der spinselektiven Streustrukturen 170 durch Anlegen von Spannungen an die Steuerelektrode oder eine Vorspannelektrode eingestellt werden können, ein Ausführungsbeispiel, das dem in 13b gezeigten ähnlich ist, ebenso basierend auf einem einzelnen, individuellen Metall-Magnesiumoxid-Halbleiterbauelement realisiert werden. Natürlich können Spin-Bauelemente 100 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung auch basierend auf einer Kombination von mehr als zwei derartigen Spin-Bauelementen 100 sein.
14 zeigt ein weiteres Spin-Bauelement 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das dem in 13b gezeigten Spin-Bauelement 100 ähnelt. Die vorgeschlagene Spin-Bauelementstruktur, wie sie in 14 gezeigt ist, unterscheidet sich jedoch in Bezug auf die Steuerelektroden (Gate-Kontakte), die von den ferromagnetischen Schichten 410-2 elektrisch mittels Tunneloxidbarriere 420-1, 420-2 isoliert sind.
Mit anderen Worten, auf die zuvor beschriebenen selektiven Spin-Streustrukturen 170-1, 170-2 sind isolierende Schichten 420-1 bzw. 420-2 aufgebracht, auf denen die Steuerelektroden 190-1, 190-2 gebildet sind. Folglich ist es möglich, die ferromagnetischen Schichten 410-1, 410-2 als Floating-Gate-Elektroden 430-1, 430-2 zu verwenden, um die zuvor beschriebene Programmierbarkeit zu erzielen, da das in 14 gezeigte Spin-Bauelement 100 den Nutzen in Form der Option einer Verwendung der ferromagnetischen Schichten 410-1, 410-2 als Elektronenspeicherelemente, ähnlich Polysiliziumschichten in Flash-Speicherzellen, bieten kann. So kann ein derartiges Spin-Bauelement 100 mit einer derartigen Bauelementestruktur einen programmierbaren und/oder einen umschaltbaren Spin-Injektor bieten, der in einem „Aus”-, „An”-, „Spin-Oben”- oder „Spin-Unten”-Modus betrieben werden kann, um nur einige zu nennen. Zusätzlich kann der zuvor beschriebene Betriebsmodus, in dem der Grad einer Spin-Polarisation steuerbar sein kann, entsprechend implementiert sein.
Ferner kann das Spin-Bauelement 100, wie es in 14 gezeigt ist, auch in dem Fall schwach leitender oder nicht leitender ferromagnetischer Materialien für die ferromagnetischen Schichten 410-1, 410-2 verwendet werden. In diesem Fall sind die ferromagnetischen Schichten unter Umständen nicht als Floating-Gate-Elektroden 430, wie in 14 bezeichnet, verwendbar. Auf Grund der Tatsache jedoch, dass die Steuerelektroden 190 noch elektrisch von den ferromagnetischen Schichten durch die Tunnelungsoxide oder Gate-Oxidschichten 420-1, 420-2 isoliert sind, kann ein negativer Einfluss, der durch die elektrischen Ladungen bewirkt wird, die an die Steuerelektrode 190 geliefert werden, indem eine entsprechende Steuerspannung an die ferromagnetischen Schichten 410-1, 410-2 angelegt wird, verhindert werden.
Es soll angemerkt werden, dass die bisher vorgelegten Figuren vereinfachte Darstellungen von Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen, die ein besseres Verständnis der großen Vielfalt möglicher Spin-Bauelemente 100 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ermöglichen sollen. Diese vereinfachten Darstellungen jedoch können Ungenauigkeiten, wie zum Beispiel Darstellungen von Schichtdicke und lateralen Abmessungen, die verglichen mit wirklichen Implementierungen nicht maßstabsgetreu sind, aufweisen.
Ferner ist es bei einigen wirklichen Implementierungen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung unter Umständen möglich, dass Schichten, wie zum Beispiel isolierende Schichten, einen breiteren oder einen schmaleren Bereich abdecken, als in den Figuren dargestellt ist. Es könnte außerdem möglich sein, dass einige der Schichten sich hinsichtlich ihrer Ausdehnungen von den Figuren unterscheiden. Um nur ein Beispiel zu nennen, könnte es möglich sein, die Ausdehnung der Steuerelektroden 190 verglichen mit den Ausdehnungen der spinselektiven Streustrukturen 170 auf einen kleineren Bereich einzuschränken.
Es soll außerdem herausgestellt werden, dass die Kontakte, wie sie in den Figuren gezeigt sind, nicht implementiert werden müssen. Mit anderen Worten, Kontakte könnten zum Beispiel weggelassen werden, wenn die jeweiligen Anschlüsse (ersten Anschlüsse, zweiten Anschlüsse) direkt mit weiteren halbleitenden Bauelementen verbunden sind. Die Kontakte (zum Beispiel ersten Kontakte, zweiten Kontakte, Steuerkontakte) können auf der Basis halbleitender Materialien, Metalle oder anderer leitfähiger Elemente, Verbindungen und Materialien implementiert sein.
Während in den vorherigen Abschnitten der Beschreibung das Hauptaugenmerk auf dem Erzeugen eines spinpolarisierten Stroms lag, können die Spin-Bauelemente 100 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung auch als Spin-Detektoren oder Detektoren zum Bestimmen einer Spin-Polarisation verwendet werden. Da alle Spin-Bauelemente 100, die bisher beschrieben wurden, auf dem Vorliegen spinselektiver Streustrukturen 170 basieren, die unterschiedliche Streuquerschnitte für Ladungsträger mit unterschiedlichen Spin-Polarisationen bereitstellen, können einzelne Spin-Bauelemente 100 sowie komplexere Schaltungsaufbauten mit einem oder mehreren Spin-Bauelementen 100 als Spin-Detektoren verwendet werden.
Auf Grund der unterschiedlichen Querschnitte zum Streuen von Ladungsträgern in Abhängigkeit von deren Spin-Orientierung können die Spin-Bauelemente 100 in Abhängigkeit von der Spin-Polarisation und/oder dem Grad einer Spin-Polarisation eines Stroms, der an den ersten Anschluss dieser Bauelemente geliefert wird, sich verändernde Widerstandswerte aufweisen.
Ohne Bereitstellung eines Rückkopplungssignals oder eines Steuersignals an die Steuerelektroden 190 der Spin-Bauelemente 100 kann ein einzelnes Spin-Bauelement 100 verwendet werden, um die Spin-Polarisation eines Stroms zu erfassen, indem dessen Widerstandswert gemessen wird.
Ein weiterer Spin-Detektor 900, der zwei Spin-Bauelemente 100-1, 100-2 verwendet, ist schematisch in 15a gezeigt. Der Spin-Detektor 900 weist einen Eingang 910 auf, an den der Strom, dessen Spin-Polarisation erfasst werden soll, geliefert wird. Der Eingang 910 ist parallel zu den beiden Spin-Bauelementen 100-1, 100-2 geschaltet, die mit ihren ersten Anschlüssen 130-1, 130-2 mit dem Eingang 910 gekoppelt sind. Ein Voltmeter 920 mit hoher Eingangsimpedanz oder ein Elektrometer 920 mit hoher Eingangsimpedanz ist mit den zweiten Anschlüssen 140-1, 140-2 der beiden Spin-Bauelemente 100-1, 100-2 gekoppelt.
Die beiden Spin-Bauelemente 100-1, 100-2 sind angepasst, um unterschiedliche Spin-Polarisationen bereitzustellen. Das Spin-Bauelement 100-1 zum Beispiel könnte angepasst sein, um bei Funktion als Spin-Injektor Ladungsträger mit der entgegengesetzten Spin-Orientierung verglichen mit dem Spin-Bauelement 100-2 bereitzustellen. Folglich streuen die beiden Spin-Bauelemente 100-1, 100-2 Ladungsträger, die an deren erste Anschlüsse 130-1, 130-2 geliefert werden, unterschiedlich.
Auf Grund dieser unterschiedlichen Streuquerschnitte für die unterschiedlichen Spin-Polarisationen der Ladungsträger, die an die beiden unterschiedlichen Spin-Bauelemente 100-1, 100-2 geliefert werden, können an den zweiten Anschlüssen 140-1, 140-2 der Spin-Bauelemente 100-1, 100-2 unterschiedliche elektrochemische Potentiale vorhanden sein. Der Unterschied zwischen den beiden unterschiedlichen elektrochemischen Potentialen kann dann durch das Voltmeter 920 mit hoher Eingangsimpedanz erfasst werden. Deshalb stellt eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden zweiten Anschlüssen 140-1, 140-2 der beiden Spin-Bauelemente 100-1, 100-2 ein Maß für die Spin-Polarisation des Stroms, der ursprünglich an die beiden ersten Anschlüsse 130-1, 130-2 geliefert wird, dar.
15b zeigt einen weiteren Spin-Detektor 900' mit einem Eingang 910. Im Gegensatz zu dem in 15a gezeigten Spin-Detektor 900 weist der Spin-Detektor 900' ein einzelnes Spin-Bauelement 100 auf, das mit seinem ersten Anschluss 130 mit dem Eingang 910 gekoppelt ist. Der Spin-Detektor 900' weist ferner einen ohmschen Widerstand 930 auf, der in Serie zu einem zweiten Anschluss 140 des Spin-Bauelements 100 geschaltet ist. Ein Differenzverstärker 940 ist mit seinen Eingängen mit den beiden Anschlüssen des Widerstands 930 gekoppelt und mit einem Ausgang mit dem Steuerkontakt 200 des Spin-Bauelements 100. Ferner ist ein Ohmmeter 950 parallel zu dem Spin-Bauelement 100 geschaltet.
Das Bereitstellen eines Stroms mit einer zu bestimmenden Spin-Polarisation an den Eingang 910 führt zu einem Widerstandswert des Spin-Bauelements, der von der Spin-Polarisation des Stroms abhängt. Da jedoch das Ohmmeter 950 typischerweise hohe Eingangsimpedanzwerte aufweist, erreicht der Strom den Widerstand 930 und erzeugt einen Spannungsabfall über den Widerstand 930, der dann durch den Differenzverstärker 940 erfasst wird. Obwohl die Spin-Polarisation auf Grund der Wechselwirkung mit dem Spin-Bauelement 100 verändert werden kann, bleibt der Betrag des Stroms durch das Spin-Bauelement 100 unverändert.
Der Spannungsabfall über den Widerstand 930, der durch den Differenzverstärker 940 erfasst und wahlweise weiter verarbeitet wird, ist ein Maß für den Betrag des an den Eingang 910 gelieferten Stroms. Auf Grund der Tatsache, dass der Ausgang des Differenzverstärkers 940 mit dem Steuerkontakt 200 des Spin-Bauelements 100 gekoppelt ist, wird eine Rückkopplungsschleife erzeugt, so dass der Betrag des Stroms, der in das Spin-Bauelement 100 fließt, verändert wird, um unabhängig von dem Grad der Spin-Polarisation des an den Eingang 910 gelieferten Stroms zu sein. Folglich ist ein Widerstandswert, der durch das Ohmmeter 950 über das Spin-Bauelement 100 gemessen wird, ein Maß für den Grad der Spin-Polarisation des an den Eingang 910 gelieferten Stroms.
Während Vorstehendes insbesondere unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele hierfür gezeigt und beschrieben wurde, wird für Fachleute auf dem Gebiet zu erkennen sein, dass verschiedene andere Veränderungen an der Form und Details vorgenommen werden könnten, ohne von der Wesensart und dem Schutzbereich derselben abzuweichen. Es sollte zu erkennen sein, dass verschiedene Veränderungen beim Anpassen an unterschiedliche Ausführungsbeispiele vorgenommen werden könnten, ohne von dem breiteren Konzept, das hierin beschrieben und durch die folgenden Ansprüche eingeschlossen ist, abzuweichen.

Claims

Spin-Bauelement (100; 100'; 100''), das folgende Merkmale aufweist: eine Zwischenhalbleiterregion (120), die zwischen einem ersten Anschluss (130) und einem zweiten Anschluss (140) angeordnet ist, wobei der erste Anschluss angepasst ist, um einen Strom mit einem ersten Grad einer Spin-Polarisation an die Zwischenhalbleiterregion zu liefern, wobei der zweite Anschluss angepasst ist, um den Strom nach Durchlaufen der Zwischenhalbleiterregion mit einem zweiten Grad einer Spin-Polarisation auszugeben; eine spinselektive Streustruktur (170), die an die Zwischenhalbleiterregion (120) angrenzt, wobei die spinselektive Streustruktur derart angepasst ist, dass der erste Grad einer Spin-Polarisation zu dem zweiten Grad einer Spin-Polarisation verändert wird; und eine Steuerelektrode (190), die elektrisch von der Zwischenhalbleiterregion (120) isoliert und angepasst ist, um ein elektrisches Feld an die Zwischenhalbleiterregion (120) anzulegen, um einen Betrag des Stroms zu steuern, wobei das elektrische Feld eine Hauptfeldkomponente senkrecht zu einer Richtung des Stroms durch die Zwischenhalbleiterregion aufweist; wobei die spinselektive Streustruktur (170) eine ferromagnetische Schicht und eine isolierende Schicht aufweist, wobei die ferromagnetische Schicht auf der isolierenden Schicht gebildet ist, wobei die isolierende Schicht an die Zwischenhalbleiterregion (120) angrenzend gebildet ist; wobei die isolierende Schicht eine keilförmige Dicke aufweist.
Spin-Bauelement (100) gemäß Anspruch 1, wobei eine Grenzfläche (180) zwischen der spinselektiven Streustruktur (170) und der Zwischenhalbleiterregion (120) gebildet ist, wobei eine Streueigenschaft eines Ladungsträgers der Zwischenhalbleiterregion von einer Spin-Orientierung des Ladungsträgers abhängt.
Spin-Bauelement (100) gemäß Anspruch 2, bei dem die ferromagnetische Schicht eine leitende ferromagnetische Schicht auf der isolierenden Schicht ist, und bei dem die isolierende Schicht an die Zwischenhalbleiterregion (120) angrenzend gebildet ist, um die Grenzfläche (180) zu bilden.
Spin-Bauelement (100) gemäß Anspruch 3, wobei die Streueigenschaft des Ladungsträgers der Zwischenhalbleiterregion (120) von der Spin-Orientierung des Ladungsträgers abhängt.
Spin-Bauelement (100) gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei Ladungsträger in der Zwischenhalbleiterregion durch Anlegen einer Spannung an die ferromagnetische Schicht während eines Betriebs des Spin-Bauelements (100) in Richtung der Grenzfläche (180) angezogen werden.
Spin-Bauelement (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die spinselektive Streustruktur (170) ferner eine Vorspannelektrode aufweist, die von der Zwischenhalbleiterregion (120) elektrisch isoliert ist, wobei die Vorspannelektrode und die Zwischenhalbleiterregion (120) derart angepasst sind, dass Ladungsträger in der Zwischenhalbleiterregion durch Anlegen einer Spannung an die Vorspannelektrode während eines Betriebs des Spin-Bauelements (100) in Richtung einer Grenzfläche anziehbar sind.
Spin-Bauelement (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Steuerelektrode (190) elektrisch von der Zwischenhalbleiterregion (120) durch eine weitere isolierende Schicht isoliert ist, wobei die weitere isolierende Schicht derart angeordnet ist, dass eine weitere Grenzfläche (280) zwischen der weiteren isolierenden Schicht und einem Teil der Zwischenhalbleiterregion gebildet wird.
Spin-Bauelement (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Spin-Bauelement eine Floating-Gate-Elektrode (430) aufweist, die elektrisch von der Steuerelektrode durch eine Tunnelungsisolierschicht isoliert ist, derart, dass eine Ladung der Floating-Gate-Elektrode (430) durch Tunneln von der Steuerelektrode veränderbar ist und der geladene Zustand der Floating-Gate-Elektrode zu dem elektrischen Feld senkrecht zu der Richtung des Stroms beiträgt.
Spin-Bauelement (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Zwischenhalbleiterregion (120) Silizium aufweist.
Spin-Bauelement (100), das folgende Merkmale aufweist: eine Zwischenhalbleiterregion (120), die zwischen einem ersten Anschluss (130) und einem zweiten Anschluss (140) angeordnet ist, wobei der erste Anschluss angepasst ist, um einen Strom mit einem ersten Grad einer Spin-Polarisation an die Zwischenhalbleiterregion (120) zu liefern, wobei der zweite Anschluss (140) angepasst, um den Strom nach Durchlaufen der Zwischenhalbleiterregion mit einem zweiten Grad einer Spin-Polarisation auszugeben; und eine spinselektive Streustruktur (170), die an die Zwischenhalbleiterregion (120) angrenzt, wobei die spinselektive Streustruktur derart angepasst ist, dass der erste Grad einer Spin-Polarisation zu dem zweiten Grad einer Spin-Polarisation verändert wird, wobei die spinselektive Streustruktur (170) eine Steuerelektrode (190) aufweist, die elektrisch von der Zwischenhalbleiterregion isoliert ist, wobei die Steuerelektrode (190) angepasst ist, um ein elektrisches Feld an die Zwischenhalbleiterregion anzulegen, um einen Betrag des Stroms zu steuern, wobei das elektrische Feld eine Hauptfeldkomponente senkrecht zu einer Richtung des Stroms durch die Zwischenhalbleiterregion (120) aufweist; wobei die spinselektive Streustruktur (170) eine ferromagnetische Schicht und eine isolierende Schicht aufweist, wobei die ferromagnetische Schicht auf der isolierenden Schicht gebildet ist, wobei die isolierende Schicht an die Zwischenhalbleiterregion (120) angrenzend gebildet ist; wobei die isolierende Schicht eine keilförmige Dicke aufweist.
Spin-Bauelement (100) gemäß Anspruch 10, wobei die isolierende Schicht an die Zwischenhalbleiterregion (120) angrenzt, derart, dass eine Grenzfläche (180) zwischen der spinselektiven Streustruktur (170) und der Zwischenhalbleiterregion (120) gebildet wird, wobei die Steuerelektrode ein ferromagnetisches Material oder eine ferromagnetische Verbindung aufweist, und wobei die Steuerelektrode auf der isolierenden Schicht gebildet ist.
Spin-Bauelement (100) gemäß Anspruch 11, bei dem die isolierende Schicht eine derartige Dicke aufweist, dass eine Streueigenschaft der Ladungsträger in der Zwischenhalbleiterregion von einer Spin-Orientierung der Ladungsträger abhängt.
Spin-Bauelement (100) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei eine Grenzfläche (180) zwischen der spinselektiven Streustruktur (170) und der Zwischenhalbleiterregion (120) derart gebildet ist, dass eine Streueigenschaft der Ladungsträger in der Zwischenhalbleiterregion von einer Spin-Orientierung der Ladungsträger abhängt.
Spin-Bauelement (100) gemäß Anspruch 13, wobei die ferromagnetische Schicht ein leitendes ferromagnetisches Material oder eine leitende ferromagnetische Verbindung aufweist, wobei die ferromagnetische Schicht auf einer isolierenden Schicht gebildet ist, wobei die isolierende Schicht an die Zwischenhalbleiterregion (120) angrenzend gebildet ist, um die Grenzfläche (180) zu bilden, und wobei die isolierende Schicht eine derartige Dicke aufweist, dass die Streueigenschaft der Ladungsträger von der Spin-Orientierung der Ladungsträger abhängt.
Spin-Bauelement (100) gemäß Anspruch 14, bei dem die Steuerelektrode (190) elektrisch von der ferromagnetischen Schicht durch eine Tunnelungsisolierschicht isoliert ist, derart, dass die ferromagnetische Schicht eine Floating-Elektrode ist, ein Ladungszustand der ferromagnetischen Schicht durch Tunneln von Ladungsträgern von der Steuerelektrode (190) veränderbar ist und der Ladungszustand der ferromagnetischen Schicht zu dem elektrischen Feld senkrecht zu der Richtung des Stroms beiträgt.
Spin-Bauelement (100) gemäß Anspruch 14 oder 15, das ferner eine Floating-Gate-Elektrode (430) aufweist, die elektrisch von der Steuerelektrode (190) isoliert ist, derart, dass ein Ladungszustand der Floating-Gate-Elektrode durch Tunneln von der Steuerelektrode veränderbar ist und der Ladungszustand der Floating-Gate-Elektrode (430) zu dem elektrischen Feld senkrecht zu der Richtung des Stroms beiträgt.
Spin-Bauelement (100) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 16, bei dem die Steuerelektrode (190) und die Zwischenhalbleiterregion (120) derart angepasst sind, dass Ladungsträger in der Zwischenhalbleiterregion (120) durch Anlegen einer Spannung an die Steuerelektrode während eines Betriebs des Spin-Bauelements (100) in Richtung einer Grenzfläche (180) zwischen der spinselektiven Streustruktur (170) und der Zwischenhalbleiterregion (120) anziehbar sind.
Spin-Bauelement (100) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 17, wobei das Spin-Bauelement eine Feldeffekttransistorstruktur aufweist, wobei die Zwischenhalbleiterregion (120) eine Halbleiterregion aufweist, in der während eines Betriebs ein Kanalbereich gebildet wird, wobei der erste Anschluss (130) ein Source-Anschluss ist, wobei der zweite Anschluss (140) ein Drain-Anschluss ist, und wobei die Steuerelektrode (190) eine Gate-Elektrode ist.
Spin-Bauelement (100) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 18, bei dem die Zwischenhalbleiterregion (120) Silizium aufweist.
Verfahren zum Bereitstellen eines Stroms mit einem zweiten Grad einer Spin-Polarisation basierend auf einem Strom mit einem ersten Grad einer Spin-Polarisation, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: spinselektives Streuen von Ladungsträgern des Stroms, derart, dass der erste Grad einer Spin-Polarisation zu dem zweiten Grad einer Spin-Polarisation verändert wird; und Steuern eines Betrags des Stroms durch Anlegen eines elektrischen Felds mit einer Hauptkomponente, die senkrecht zu einer Richtung des Stroms ist; wobei das Anlegen eines elektrischen Felds Anlegen einer Spannung an eine Steuerelektrode (190) einer spinselektiven Steuerstruktur (170) aufweist; wobei die spinselektive Streustruktur (170) eine ferromagnetische Schicht und eine isolierende Schicht aufweist, wobei die ferromagnetische Schicht auf der isolierenden Schicht gebildet ist, wobei die isolierende Schicht an die Zwischenhalbleiterregion (120) angrenzend gebildet ist; wobei die isolierende Schicht eine keilförmige Dicke aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 20, bei dem das spinselektive Streuen der Ladungsträger ein derartiges Bereitstellen einer Grenzfläche (180), dass eine Streueigenschaft der Ladungsträger von einer Spin-Orientierung der Ladungsträger abhängt, aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 21, bei dem das spinselektive Streuen der Ladungsträger ein Erhöhen einer Wechselwirkung der Ladungsträger mit der Grenzfläche (180) durch derartiges Anlegen eines elektrischen Vorspannfeldes, dass Ladungsträger in Richtung der Grenzfläche angezogen werden, aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 23, bei dem das Steuern des Betrags des Stroms ein Liefern einer Spannung an eine Steuerelektrode (190) aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 23, bei dem das Steuern des Betrags des Stroms ein Verändern eines geladenen Zustand einer Floating-Gate-Elektrode (430) aufweist, wobei der geladene Zustand der Floating-Gate-Elektrode zu dem elektrischen Feld, das senkrecht zu der Richtung des Stroms ist, beiträgt.
Spin-Bauelement (100), das folgende Merkmale aufweist: eine Zwischenhalbleiterregion (120), die zwischen einem ersten Anschluss (130) und einem zweiten Anschluss (140) angeordnet ist, wobei der erste Anschluss (130) angepasst ist, um einen Strom mit einem ersten Grad einer Spin-Polarisation an die Zwischenhalbleiterregion zu liefern, wobei der zweite Anschluss angepasst ist, um den Strom nach Durchlaufen der Zwischenhalbleiterregion (120) mit einem zweiten Grad einer Spin-Polarisation auszugeben; und eine spinselektive Streustruktur (170), die an die Zwischenhalbleiterregion (120) angrenzt, wobei die spinselektive Streustruktur derart angepasst ist, dass der erste Grad einer Spin-Polarisation zu dem zweiten Grad einer Spin-Polarisation verändert wird, wobei die spinselektive Streustruktur (170) ferner eine Floating-Steuerelektrode aufweist, wobei die Floating-Steuerelektrode elektrisch von der Zwischenhalbleiterregion (120) isoliert ist, wobei eine Steuerelektrode elektrisch von der Zwischenhalbleiterregion isoliert ist und elektrisch von der Floating-Steuerelektrode durch eine Tunnelungsisolierschicht isoliert ist, wobei die Tunnelungsisolierschicht angepasst ist, um ein Tunneln elektrischer Ladungen von der Steuerelektrode zu der Floating-Steuerelektrode zu erlauben, und wobei die Steuerelektrode und die Floating-Steuerelektrode angepasst sind, um ein elektrisches Feld an die Zwischenhalbleiterregion (120) anzulegen, um den Strom zu steuern, wobei das elektrische Feld eine Hauptkomponente aufweist, die senkrecht zu einer Richtung des Stroms durch die Zwischenhalbleiterregion (120) ist.
Spin-Bauelement (100) gemäß Anspruch 25, bei dem die Steuerelektrode und die Zwischenhalbleiterregion (120) derart angepasst sind, dass Ladungsträger in der Zwischenhalbleiterregion (120) durch Anlegen einer Spannung an die Steuerelektrode während eines Betriebs des Spin-Bauelements (100) in Richtung einer Grenzfläche (180), die zwischen der spinselektiven Streustruktur (170) und der Zwischenhalbleiterregion (120) gebildet ist, anziehbar sind.
Spin-Bauelement (100), das folgende Merkmale aufweist: eine erste Zwischenhalbleiterregion (120-1), die zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss angeordnet ist, wobei der erste Anschluss angepasst ist, um einen ersten Strom mit einem ersten Grad einer Spin-Polarisation an die erste Zwischenhalbleiterregion (120-1) zu liefern, eine erste spinselektive Streustruktur (170-1), die an die erste Zwischenhalbleiterregion (120-1) angrenzt, wobei die erste spinselektive Streustruktur (170-1) derart angepasst ist, dass der erste Grad einer Spin-Polarisation zu einem zweiten Grad einer Spin-Polarisation verändert wird, eine zweite Zwischenhalbleiterregion (120-2), die zwischen dem ersten Anschluss und einem dritten Anschluss angeordnet ist, wobei der erste Anschluss ferner angepasst ist, um einen zweiten Strom mit dem ersten Grad einer Spin-Polarisation an die zweite Zwischenhalbleiterregion (120-2) zu liefern, eine zweite spinselektive Streustruktur (170-2), die an die zweite Zwischenhalbleiterregion (120-2) angrenzt, wobei die zweite spinselektive Streustruktur (170-2) derart angepasst ist, dass der erste Grad einer Spin-Polarisation zu einem dritten Grad einer Spin-Polarisation verändert wird, wobei der zweite Anschluss angepasst ist, um den ersten Strom auszugeben; wobei der dritte Anschluss angepasst ist, um den zweiten Strom auszugeben; und wobei die erste spinselektive Streustruktur (170-1) eine erste Steuerelektrode (190-1) aufweist, die elektrisch von der ersten Zwischenhalbleiterregion (120-1) isoliert ist, wobei die erste Steuerelektrode (190-1) angepasst ist, um ein erstes elektrisches Feld an die erste Zwischenhalbleiterregion (120-1) anzulegen, um einen Betrag des ersten Stroms zu steuern, wobei das erste elektrische Feld eine Hauptkomponente aufweist, die senkrecht zu einer Richtung des ersten Stroms durch die erste Zwischenhalbleiterregion (120-1) ist; wobei die zweite spinselektive Streustruktur (170-2) eine zweite Steuerelektrode (190-2) aufweist, die elektrisch von der zweiten Zwischenhalbleiterregion (120-2) isoliert ist, wobei die zweite Steuerelektrode (190-2) angepasst ist, um ein zweites elektrisches Feld an die zweite Zwischenhalbleiterregion (120-2) anzulegen, um einen Betrag des zweiten Stroms zu steuern, wobei das zweite elektrische Feld eine Hauptkomponente aufweist, die senkrecht zu einer Richtung des zweiten Stroms durch die zweite Zwischenhalbleiterregion (120-2) ist.