TWI364113B - Spintronic transistor - Google Patents

Description

1364113 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 特別是關於具有自旋一 【先前技術】 本=使用了在以下參考列表中的f料的不 個說明書中將以括號内的數字來表示引用的文件。可衩珩正 參考列表

[1] A.T. Filip等人，側向幾何結構巾對於GaA 注入及偵測，超導體期刊：結合_的磁學，薦年严子自疋 [2] EJRashba’電子自旋注入理論 不匹配的_法，物理_ A，卷62，電羊 [3] D Connelly 等人’達到 m〇sfe 沒極的新路線’臓奈米科技會刊，卷3，第i二2==/。 [4] C. Wang # A > 40nm PtSi ^ Schottky M mAUk ^ 旌生f Tfrcs ’從鐵磁性金屬進人半導體的有效自 方疋庄入的條件，物理回顧B，卷64，麵年1〇月19日。 d [ϋ affm等人，mram的設計考量]bm j.把.& Dev.，卷50，第1期，2〇〇6年】月。 接網及μ· Tanaka’源極與汲極使用半金屬鐵磁性 接觸的自&金屬氧化物半導體場效電晶體。 年）。[8] MM· Rieger 及 p. v〇ig，物理回顧 B ’ 卷 48，14296 (】993 版#人’_F㈣㈣論㈣，第一 上面列出的參考職的各個參考資料的全部内容 ，均以參考 1364113 資料方式在此合併。 自，電子代表的是「以旋轉為基礎的電子」。除了電子的 二=自(iii代電子的電荷特性），自旋電子裝置利用的是電 子，有的自域性，以儲存及處理資訊。因為自旋電子裝置能夠 少於習知的以電荷為基礎的電子裝置的電子來表示資料，比 起=的微電子裝置，自旋電子裝置能夠可觀地縮小並錄快速。 費的察^的法則’也就㈣於最小的元件花 ΐ 電路的複雜度’母24個月就會增加—倍。為了要維持此 成長it度，半導體裝置需要變得更小。 、 f導體裝置製造上的困難是料定律實現的限姻素之一。 的微小尺寸造成操作上的問題:在^ =下的，部材射’電荷數量以及能階就會變得很重要 昨K ; r、〇罪义為了要維持性能，同樣地也要減小M0SFET的 ^界”著臨界電壓減小，電晶體不能被完全_，當電= 2 = Ϊ通的時候’會造成以次臨界漏電流的形式來消耗能量 的弱反Ϊ層。次臨界漏電流_耗會高達晶片總能量雜的半 小不同解決方法，以延和應巾閘極物理長度 點）。這料㈣概方法包括非 回ί ί =善多重閘極以及極薄的聰啦、以及不 如提高移動率的受應變si、升高的源極/汲極、 冋k閘極介電質、及金屬閘電極。 合需=極到達大約22nm (閘極物理長度9nm)，就 ^ = 目前預料仍然是制⑽⑽作為技術 能ί新Ϊ:置 夠顯著加強單獨嶋〇S即能達到的系統性 ^句使用電子自旋的自旋電子裝置是達到此 且能ί發展朝向結合儲存體及邏輯、記憶體電晶體Ϊ建 構邏輯、零等待能量技術的新路線。更進一步，使=自= 1364113 密碼能夠貢獻長期發展的前景。 量子力學==之=:學=定理開始瓦解，且 量子技術必須取代或是支援習知』ί 固態量子計算的新途徑。 已知自㈣子學可以是 量的電子還具魏稱為自旋的角動 磁棒。電子的兩個狀態被稱；「:旋:巧》轉二的-個小. 讀出及寫人）半導體中賴子自旋極2實便達到（亦即， 提出 ^其中被佔據的最高能帶是完全自_咖; 能S也不可能“容 旋裝為基礎的材料來製造電子自 〇 【發明内容】 置問====目的為處理上述及/或其他習知的半導體裝

Claims (1)

1364113 101 年2 月 96126346(無劃線） 十、申請專利範圍： 1. 一種半導體裝置，包含： 一基板，包含^夕； 一通道區域，形成於該基板上； 一自旋注入器，形成於該塞板上之該通道區域之一第一侧， 並用來擴散一自旋極化電流到該通道區域中； 一自旋偵測器，形成於該基板上之讀通道區域之一第二侧， 並用以接收來自該通道區域的該自旋極化電流；及 一閘極’形成於該基板上之該通道區域之一範圍中.

其中’該通道區域包含一 SiGe/Si異質結構通道，該siGe/Si 異質結構通道用以作為定義該通道區域的一限制層，以及作為一 應變來源，該應變來源使Si傳導帶中的一簡併態^離，並影塑注 入電子的自旋動態。 2. 材料 如申請專利範圍* 1項之半導體裝置’其中該自旋注入器包含: 鐵磁性材料、及插入該鐵磁性材料與該基板之間的一介電 3·如申請專利範圍第i項之半導體裝置，其中該自旋偵測器包含: 一鐵磁性材料、及插入該鐵磁性材料與該基板之間的一介 材料。 4. =申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該基板包含矽、部 分空乏的絕緣層上覆矽、全部空乏的絕緣層上覆矽、或是虛擬 石夕鍺、或是其中兩個或更多個的結合。 5. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置’其中該閘極包含： 一閘電極材料；及 插入該閘電極材料與該基板之間之一介電材料，其中 23 1364113 之一〇 該閘電極材料為聚合石夕或是金屬其中之一，且 該介電材料為二氧化矽、氮氧化石夕、及高k介電材料其中 101年2月15曰修正替換頁 %12«46(無劃線） 、 6該自旋注入器及 7. 嗲自如旌申利範圍第1項之半導體裝置’其中’該自旋注入器及 这自碇偵測器各包含一鐵磁性半導體。 ^如申請專利範圍第6項之半導體裝置，其中該自 自旋偵測器至少其中之一的該鐵磁性金屬包含C〇。彳° 。 L g請專利範_項之半導體裝置，其中該織雖金屬是由 10.如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中 該自旋注入器包含一固定之磁化結構， 該自 ，自旋偵測器包含一可切換之磁化結構，及 當該自旋偵測器之磁化平行於該自旋注入器之 凝極化電流從該自旋注入器流向該自旋制n。 時’ 如申請專利範圍第10項之半導體裝置，苴中， U如申請專利範圍第i項之半導體 ，偵測器至少其中之-包含在形成於該基二 24 1364113 101年2月15曰修正替換頁 96126346 (益畫ij 線） η.如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該^ 該自旋侧器至少其中之-被升高到至少有—部份伸出高於該基 板。 Η·如申請專職圍第1項之轉體裝置，其巾該自旋注入 該自旋偵測器的該至少其中之一包含： & 形成於該基板上之一空乏型半導體層； 形成於該空乏型半導體層上的—介^層；及 形成於該介電層上之一鐵磁性層.。 如申請專機圍第1G項之半導體裝置，其中該自旋偵測器包 含. 一切換機構，用來切換該自旋偵測器之—磁化方向。 如申請專利翻第1項之半導體裝置，其中，該自旋注入器包 一穿隧障壁，用來最大化自旋注入， 其中該穿轉壁係選擇成滿足ΓΝ〇Ν/λΝ) <<re< N]N)， 區祕匕非，，半導體區域中的—通道長度’ λ N是非磁性半導體 r°°曰3访穿、Λ旋擴散長度’〜是該通道區域中的一有效電阻，且 C疋該穿隧障壁之一穿隧電阻.，且 rc隨著該穿隨障壁的厚度而改變。 ί化第2項之半導鮮置，其t較紐料包含二 乳化石夕、虱乳化石夕、或是高k材料。 作為第1項之半導體裝置，其中該半導體I置是用 電何電日日體及一自旋電晶體，且 .25 1364113 101年2月15曰修正替換頁 %126M6(無劃線） 若施加於該閘極的電壓為高壓，且該自旋注入器及該自旋偵 測器^磁化是平行的’則該通道區域會通過一高量自旋極化電流， 如若施加於該閘極的電壓為高壓，且該自旋注入器及該自旋偵 測器之磁化是反平行的，則該通道區域會通過一低量自旋極化 流，及 如若施加於該閘極的電壓為低壓，且該自旋注入器及該自旋偵 測器之磁化是反平行的，則該通道區域會通過一低量自旋極化電 流。 19.——種半導體裝置，包含： 胃 -基板，包含石夕； 一通道區域，形成於該基板上； 、一自旋注入器，形成於該基板上之該通道區域之一第—側， 並用來擴散一自旋極化電流到該通道區域中； 、一自旋偵測器’形成於該基板上之該通道區域之一第二側， 並用以接收來自該通道區域的該自旋極化電流；及 一閘極，形成於該基板上之該通道區域之一範圍中； 其中該通道區域包含一逆行式摻雜構造。 φ 十一、圖式： 26 1364113 式 圖 画一

頁 第 •1364113 式 圊 00 2 (i °°< 應變矽能帶亂Vgs=0 00 ik 傳導帶 I 雜也台匕ρϋ ... ... ^ 位能 SS 1-； °° 40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 距離（微米）圖2A 電子酿 V9876 76543210 IX iA 1X1A ix ix 1* (fi)議

00 5432ο 00 0.200 0.300 0.400 0.500 距離（微米）圖2B 第爻頁 (S ) 1364113 式 囷 2 I 應變矽能帶圖，Vgs=0.5 υ ο υ ο • · 1 ο I § § 1 ο ο-ο ο . 傳導帶 --------mmm------------------------- ^-—--- k 位能 1 _ M'Wb 1 mw · 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 距離（微米） 00 圖3A 電子濃度 ΛΟ 7 RW 4 3 Λζ 1 ^ ei 1X 1A iA ix 1A 1* ix IX 1Φ (I)譲

0.100 0.200 0.300 距離（微米） 0.400 0.500 °° 圖3B 第今頁 (S 1364113 囫式

圖4 源極 汲極 K 鄱 Ef,源極 、 Ec Ev

K Ν ef 汲極 第+頁 c S > 1364113

围式 汲極 源極

%汲極 圖6 C S > 1364113 式 圈 r*gl 画7 -siloar? Μ >霞8議 喵蘅爾嘸徊gs^tf-slj λ'ιιΙ t 0.05Γ„«Γ，《20Λ_ t 0.5L<『，<2f， 皿蠢i钶 1^ qN 「c 喵搦嘸猫@縛面 頁 _5> 第 1S 1364113

Γ25 30.CO5 40 45s55 SO 65 障壁電阻X面積rc (Ωοώ2) —**< -Μ-Κ ———人 ^ ^^ s画 A SHB 101年2月15日修正替換頁 96126346(無劃線） ON OFF ! ____ir'--- • -βίψίίί 4 =. = 1Λ3.-Τ.6-1Λ Ί_ΠΛ¥ = 100{α§二 ％/ =萎=1Λ% 1·6·%c · 10— vv.r1 {0. cm). 一 1364113 圓式