專利名稱：一種自旋場效應(yīng)晶體管及其磁性存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自旋磁學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種自旋場效應(yīng)晶體管，以及基于該自旋場效應(yīng)晶體管的存儲單元及其磁性存儲器。
背景技術(shù)：
眾所周知，在納米磁性多層膜和磁性隧道結(jié)(MTJ)中觀測到的巨磁電阻效應(yīng) (Giant Magneto-resistance, GMR)禾口隧穿磁電阻效應(yīng)(TunnelingMagneto-resistance, TMR)已被廣泛地應(yīng)用于計算機(jī)磁讀頭和磁敏傳感器等領(lǐng)域，而其中MTJ的另外一個極其重要的應(yīng)用就是可以作為磁隨機(jī)存取存儲器(Magnetic Random Access Memory, MRAM)的最佳存儲單元。目前，人們提出的MRAM結(jié)構(gòu)基本上是將磁性隧道結(jié)(MTJ)和金屬-氧化物-半導(dǎo)體(M0Q場效應(yīng)晶體管集成在一起形成存儲單元，但MOS場效應(yīng)晶體管不具備存儲功能，因此當(dāng)與諸如靜態(tài)隨機(jī)存儲器的外部裝置配合進(jìn)行存儲時，該存儲為易失性的，斷電后數(shù)據(jù)則消失。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種具有存儲功能的自旋場效應(yīng)晶體管以及基于此種晶體管的磁性存儲單元。另外，本發(fā)明的還提供一種基于這種存儲單元的磁性存儲器。本發(fā)明的上述目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種自旋場效應(yīng)晶體管，包括柵極、源極和漏極；被設(shè)置用于在所述源極和漏極之間形成導(dǎo)電溝道的半導(dǎo)體層；和位于所述半導(dǎo)體層與所述柵極之間的柵極介質(zhì)層；其中，該柵極介質(zhì)層包括第一、第二和第三部分，其中所述第一、第三部分在橫向上被所述第二部分間隔開，并且所述第一部分和第三部分由鐵磁性絕緣材料制成，所述第二部分由非磁性絕緣材料制成，所述第一部分和第三部分的矯頑力不同。在上述自旋場效應(yīng)晶體管中，所述第一部分和第三部分由不同鐵磁性絕緣材料制成。在上述自旋場效應(yīng)晶體管中，所述第一部分和第三部分由同一鐵磁性絕緣材料制成，但具有不同體積。在上述自旋場效應(yīng)晶體管中，所述第一部分和第三部分的寬度相同，厚度比在 1 2 1 5之間；或厚度相同，寬度比在1 2 1 5之間。在上述自旋場效應(yīng)晶體管中，所述半導(dǎo)體層為N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體或石墨烯， 其中當(dāng)柵極所加電壓大于晶體管開啟電壓時，在柵極介質(zhì)層和半導(dǎo)體層的界面處形成導(dǎo)電溝道。
在上述自旋場效應(yīng)晶體管中，當(dāng)采用N型半導(dǎo)體或石墨烯時，所形成的導(dǎo)電溝道為可自旋極化的二維電子氣。在上述自旋場效應(yīng)晶體管中，當(dāng)采用P型半導(dǎo)體時，所形成的導(dǎo)電溝道為可自旋極化的二維空穴氣。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種磁性存儲單元，其中，該磁性存儲單元包括以上所述的自旋場效應(yīng)晶體管。在上述磁性存儲單元中，所述存儲單元采用單位線結(jié)構(gòu)或雙位線結(jié)構(gòu)。在上述磁性存儲單元中，所述單位線結(jié)構(gòu)包括字線和位線，其中所述字線為所述自旋場效應(yīng)晶體管的柵極，所述位線與所述字線相互垂直。在上述磁性存儲單元中，所述雙位線結(jié)構(gòu)包括字線、讀位線和寫位線，其中所述字線為所述自旋場效應(yīng)晶體管的柵極，所述讀位線和寫位線相互平行且被間隔開，該讀、寫位線均與所述字線相互垂直。根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供一種磁性存儲器，其中包括以上所述的磁性存儲單元。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于1.自旋場效應(yīng)晶體管具有存儲功能；2.基于該自旋場效應(yīng)管的磁隨機(jī)存取存儲器具有非易失性；結(jié)構(gòu)更加簡單，非常有利于提高存儲器的密度。


以下，結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實施例，其中圖Ia是根據(jù)本發(fā)明實施例的基于P型半導(dǎo)體的自旋場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)圖；圖Ib是根據(jù)本發(fā)明實施例的基于P型半導(dǎo)體的自旋場效應(yīng)晶體管處于開啟狀態(tài) (Vg > Vg(th))的結(jié)構(gòu)圖；圖加和2b為圖1的自旋場效應(yīng)晶體管分別在寫入低阻態(tài)“0”和高阻態(tài)“1”時的
結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖3是本發(fā)明自旋場效應(yīng)晶體管中的二維電子氣自旋極化的物理原理示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的基于N型半導(dǎo)體的自旋場效應(yīng)晶體管處于開啟狀態(tài) (Vg > Vg(th))的結(jié)構(gòu)圖；圖如和恥為圖4的自旋場效應(yīng)晶體管分別在寫入低阻態(tài)“0”和高阻態(tài)“1”時的
結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明實施例的石墨烯自旋場效應(yīng)晶體管處于開啟狀態(tài)(Vg > Vg(th)) 的結(jié)構(gòu)圖；圖7a和7b為圖6的自旋場效應(yīng)晶體管分別在寫入低阻態(tài)“0”和高阻態(tài)“ 1”時的
結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖8A和8B分別是本發(fā)明實施例的基于自旋場效應(yīng)晶體管的單位線存儲單元的橫向剖面圖和沿圖8A中線A-A的縱向剖面圖；圖8C是本發(fā)明實施例的基于自旋場效應(yīng)晶體管的單位線存儲單元在位線2c以下部分的俯視圖9A和9B分別是本發(fā)明實施例的基于自旋場效應(yīng)晶體管的雙位線存儲單元的橫向剖面圖和沿圖9A中線B-B的縱向剖面圖；圖9C是本發(fā)明實施例的基于自旋場效應(yīng)晶體管的雙位線存儲單元在讀位線2c和寫位線2d以下部分的的俯視圖。
具體實施例方式以下參照具體的實施例來說明本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明的目的，其不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。[實施例1]基于P型半導(dǎo)體的自旋場效應(yīng)晶體管圖Ia是根據(jù)本發(fā)明實施例的基于P型半導(dǎo)體的自旋場效應(yīng)晶體管處于未加電壓時的結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，整個自旋場效應(yīng)晶體管類似于傳統(tǒng)MOS晶體管的結(jié)構(gòu)。圖中“P”區(qū)為半導(dǎo)體P型摻雜區(qū)，在“P”區(qū)上制備出兩個高摻雜濃度的N型摻雜區(qū)，分別形成源極和漏極。在該源極和漏極之間的“P”區(qū)的表面上覆蓋一層絕緣材料(該絕緣層也稱為柵極介質(zhì)層)，然后在該絕緣層表面用金屬鋁引出一個柵電極(簡稱柵極或門極)。從圖中可以看出，柵極介質(zhì)層包括三個部分a、b、c，其中a部分和c部分由同一鐵磁性絕緣材料制成(下文將其稱為鐵磁性絕緣體a、c)，二者厚度相同，例如在2nm IOOnm之間，但a部分的寬度大于c部分的寬度，例如寬度比在1 2 1 5之間，以使a、c部分具有不同大小的矯頑力Hci和Hc2 (這里定義Hc2 > Hci)。位于a、c部分之間的b部分由傳統(tǒng)非磁性絕緣材料制成。所述鐵磁性絕緣材料的例子包括但不限于EuS，EuO, MgCVxCx, MgCVxNx，Mg1^xGdxO, Mgl_xFex0, Mgl_xCox0，Mgl_xNix0，CdCr2S4, CdCr2Se4, ,Ga1^xMnxAs, Cd1^xMnxTe, Zn1^xMnxSe, CrB3, CrB3, YTiO3, SeCuO3, SeCuO3, K2Cr8O16, La2MnNiO6, La2MnNiO2, La0 7Pb0 3MnO3, Nd0 8Pb0 2MnO3, Nd0.7Pb0.3Mn03, Nd0.5Ca0.5Mn0.97Co0.0303，La2MnNiO6, La0.825Ca0.175Mn03, Nd0.5Sr0.4Pb0. iMn0. Zn0.92Co0.05Mn0.030, Gd 等，其中 0 < χ < 1。上述自旋場效應(yīng)晶體管的工作原理為當(dāng)柵極加正電壓Vg > 0時，自旋場效應(yīng)晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)柵極加正電壓Vg > Vth (開啟電壓)時，在柵極絕緣層和P型硅襯底界面處形成二維電子氣導(dǎo)電溝道，自旋場效應(yīng)晶體管處于開啟狀態(tài)。圖Ib是根據(jù)本發(fā)明實施例的基于P型半導(dǎo)體的自旋場效應(yīng)晶體管處于開啟狀態(tài)(Vg >Vg(th))的結(jié)構(gòu)圖。圖加和2b為圖1的自旋場效應(yīng)晶體管分別在寫入低阻態(tài)“0”和高阻態(tài)“1”時的結(jié)構(gòu)原理示意圖。參考圖加和2b，電子從漏極向源極輸運的過程中，先經(jīng)過鐵磁性絕緣體a的下方，并發(fā)生自旋極化，方向和鐵磁性絕緣體a的磁矩方向相同，隨后電子再經(jīng)過鐵磁性絕緣體c的下方。當(dāng)鐵磁性絕緣體c的磁矩和a的磁矩相同時，電子發(fā)生的自旋相關(guān)的散射小，此時為低電阻狀態(tài)(如圖加所示)；當(dāng)鐵磁絕緣體c的磁矩和a的磁矩相反時，電子發(fā)生的自旋相關(guān)的散射大，此時為高電阻狀態(tài)(如圖2b所示)。圖3是本發(fā)明自旋場效應(yīng)晶體管中的二維電子氣自旋極化的物理原理示意圖。圖中Z軸代表能級軸，圖中各層從左至右依次為磁性絕緣層、二維電子氣層、耗盡層和P型半導(dǎo)體層。各層中的電子能級如圖中橫線所示，箭頭代表能級中電子自旋方向。在柵極電壓大于開啟電壓時，絕緣層和耗盡層界面會產(chǎn)生二維電子氣。由于量子效應(yīng)，磁性絕緣體中能帶的劈裂會導(dǎo)致二維電子氣能級的自旋的劈裂，因此，二維電子氣是自旋極化的。由于二維電子氣在鐵磁絕緣層的作用下可以形成自旋極化的二維電子氣，通過控制柵極絕緣層中兩側(cè)的鐵磁絕緣體磁矩的方向，即可得到兩個不同的電阻狀態(tài)，由此進(jìn)行二進(jìn)制的數(shù)據(jù)存儲。另外，由于鐵磁性絕緣體中磁矩的方向不會在斷電時發(fā)生改變，因此數(shù)據(jù)的存儲是非易失性的。[實施例2]基于N型半導(dǎo)體的自旋場效應(yīng)晶體管圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的基于N型半導(dǎo)體的自旋場效應(yīng)晶體管處于開啟狀態(tài) (Vg > Vg(th))的結(jié)構(gòu)圖。與實施例1不同的是，圖4中“N”區(qū)為半導(dǎo)體N型摻雜區(qū)，在N區(qū)上制備出兩個高摻雜濃度的P型摻雜區(qū)，分別形成源極和漏極。所述柵極絕緣層的結(jié)構(gòu)和材料與實施例1中相同，在此不再贅述。然后，在該絕緣層表面處用金屬鋁引出一個柵電極。上述自旋場效應(yīng)晶體管的工作原理是當(dāng)柵極加正電壓Vg > 0時，自旋場效應(yīng)晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)柵極加負(fù)電壓的絕對值|Vg| > Vth(開啟電壓)時，在柵極絕緣層之下和N型硅襯底界面處形成二維空穴氣導(dǎo)電溝道，自旋場效應(yīng)晶體管處于開啟狀態(tài)。圖如和恥為圖4的自旋場效應(yīng)晶體管分別在寫入低阻態(tài)“0”和高阻態(tài)“1”時的結(jié)構(gòu)原理示意圖。空穴從漏極向源極輸運的過程中，先經(jīng)過鐵磁性絕緣體a的下方，并發(fā)生自旋極化，方向和鐵磁性絕緣體a的磁矩方向相同，隨后空穴再經(jīng)過鐵磁性絕緣體c的下方。當(dāng)鐵磁性絕緣體c的磁矩和a的磁矩相同時，空穴發(fā)生的自旋相關(guān)的散射小，此時為低電阻狀態(tài)(如圖fe所示)；當(dāng)鐵磁絕緣體c的磁矩和a的磁矩相反時，空穴發(fā)生的自旋相關(guān)的散射大，此時為高電阻狀態(tài)(如圖恥所示)。二維空穴氣在鐵磁絕緣層的作用下，可以形成自旋極化的二維空穴氣。通過控制絕緣層中兩側(cè)鐵磁絕緣體磁矩的方向，可以得到兩個不同的電阻狀態(tài)。利用鐵磁性絕緣體磁矩的方向的不同，可以進(jìn)行二進(jìn)制的數(shù)據(jù)存儲。由于磁矩的方向不會在斷電時發(fā)生改變， 數(shù)據(jù)的存儲是非易失性的。[實施例3]石墨烯自旋場效應(yīng)晶體管圖6是根據(jù)本發(fā)明實施例的石墨烯自旋場效應(yīng)晶體管處于開啟狀態(tài)(Vg > Vg(th)) 的結(jié)構(gòu)圖。圖中在Si/Si02襯底表面利用Si的高蒸汽壓，在超高真空的高溫環(huán)境下將Si原子脫離體材料，從而得到單層石墨烯，然后通過注入無水NH3,將石墨烯變?yōu)镹型半導(dǎo)體。在該石墨烯表面制備出兩個金屬電極，例如Au，分別作為源極和漏極。位于該源極和漏極之間的石墨烯表面上覆蓋有一層絕緣材料。該絕緣層的結(jié)構(gòu)及材料與實施例1中相同。然后， 在該絕緣層表面處用金屬鋁引出一個柵電極。上述自旋場效應(yīng)晶體管的工作原理是當(dāng)柵極電壓Vg在石墨烯的狄拉克電壓附近時，石墨烯處于高阻態(tài)，樣品中的載流子濃度極小，自旋場效應(yīng)晶體管處于高阻狀態(tài)；當(dāng)柵極電壓vg(此處指IvgI)遠(yuǎn)離狄拉克電壓時，石墨烯處于低阻態(tài)，樣品中的載流子濃度大，自旋場效應(yīng)晶體管處于低阻狀態(tài)。圖7a和7b為圖6的自旋場效應(yīng)晶體管分別在寫入低阻態(tài) “0”和高阻態(tài)“1”時的結(jié)構(gòu)原理示意圖。參考圖7a和7b，電子從漏極向源極輸運的過程中， 先經(jīng)過鐵磁性絕緣體a的下方，并發(fā)生自旋極化，方向和鐵磁性絕緣體a的磁矩方向相同， 隨后電子再經(jīng)過鐵磁性絕緣體c的下方。當(dāng)鐵磁性絕緣體c的磁矩和a的磁矩相同時，電子發(fā)生的自旋相關(guān)的散射小，此時為低電阻狀態(tài)(如圖7a所示)；當(dāng)鐵磁絕緣體c的磁矩和a的磁矩相反時，電子發(fā)生的自旋相關(guān)的散射大，此時為高電阻狀態(tài)(如圖7b所示)。由于石墨烯中的二維電子氣在鐵磁絕緣層的作用下，可以形成自旋極化的二維電
6子氣。通過控制絕緣層中兩側(cè)鐵磁絕緣體磁矩的方向，可以得到兩個不同的電阻狀態(tài)，由此進(jìn)行二進(jìn)制的數(shù)據(jù)存儲。由于磁矩的方向不會在斷電時發(fā)生改變，因此數(shù)據(jù)的存儲是非易失性的。應(yīng)該理解，上述制備石墨烯的方法僅為示意性的，在本發(fā)明的其他實施例中，還可以采用其他方法，包括碳化物的高溫分解方法；金屬單晶(含有的微量碳成分)通過在超高真空下高溫退火，將其內(nèi)部的碳元素析出從而在表面形成石墨烯；氧化石墨還原法等。在本發(fā)明的其他實施例中，所述石墨烯還可以是P型，另外，所述Si/Si02還可以由諸如SiO2, SiC, AL2O3，MgO或SrTiO3等絕緣材料所替代。從以上實施例1至3中可以看出，本發(fā)明自旋場效應(yīng)晶體管中的柵極絕緣層包括磁性絕緣體a和c，以及將二者間隔開的非磁性絕緣體b。盡管在上述實施例中磁性絕緣體 a和c由同一磁性絕緣材料制成，且二者厚度相同、寬度不同，但這僅為示意性的，其目的使磁性絕緣體a和c具有大小不同的矯頑力，從而在寫入數(shù)據(jù)時，讓鐵磁絕緣體中矯頑力較小的絕緣鐵磁體的磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)，而矯頑力較大的另外一個絕緣鐵磁體的磁矩方向保持不變，以此來實現(xiàn)兩鐵磁絕緣體的磁矩在平行和反平行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，完成數(shù)據(jù)0和1的寫入。因此，能夠使磁性絕緣體a和c具有大小不同的矯頑力的結(jié)構(gòu)及材料均包含在本發(fā)明中。例如，在一個實施例中，磁性絕緣體3和c由同一鐵磁性絕緣材料制成，但具有不同的體積。在另一個實施例中，磁性絕緣體a和c由同一鐵磁性絕緣材料制成，二者的寬度相同但厚度不同，優(yōu)選寬度在10 180nm之間，厚度比在1 2 1 5之間。在又一個實施例中，磁性絕緣體a和c由兩種不同的鐵磁性絕緣材料制成。[實施例4]基于自旋晶體管的單位線存儲單元圖8A和8B分別是本發(fā)明實施例的基于自旋場效應(yīng)晶體管的單位線存儲單元的橫向剖面圖和沿圖8A中線A-A的縱向剖面圖。從圖8A中可以看出，自旋晶體管包括源極 (Oa)，漏極(Ob)，柵極(即字線(2a)),以及在柵極(2a)和半導(dǎo)體層之間的柵極絕緣層(4a, 4b和4c)，該絕緣層包括鐵磁性絕緣體如和4c，以及將二者間隔開的非磁性絕緣體4b。該基于自旋場效應(yīng)晶體管的存儲單元包括層la、lb、lC、ld、le，這些層中的非功能區(qū)域由絕緣介質(zhì)如Si02、Al2O3等填埋。其中金屬布線層有兩層位線BU2c)所在層ld，以及地線 6冊(213)、字線札^1)所在層lb。位線BU2c)位于自旋場效應(yīng)晶體管正上方，通過絕緣填埋介質(zhì)與其它金屬層相隔開，并且與字線Oa)相互垂直。位線BU2c)通過金屬導(dǎo)通孔(3b) 與自旋場效應(yīng)晶體管的漏極(Ob)相連，地線GNDQb)通過金屬導(dǎo)通孔(3a)與自旋場效應(yīng)晶體管的源極(Oa)相連。該基于自旋場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的單位線存儲單元的縱向剖面示意圖可參看圖8B。圖8C為該單位線存儲單元在位線2c以下部分的俯視圖。在上述單位線存儲單元的尋址讀出操作中，首先由被選擇的字線WU2a)給出一個適當(dāng)?shù)碾娖绞咕w管TR(O)工作于導(dǎo)通狀態(tài)，然后由被選擇的位線BU2c)相應(yīng)地導(dǎo)出一個讀出電流，經(jīng)由接觸孔(3b)、晶體管TR(O)的漏極(Ob)、晶體管TR(O)的源極(0a)、接觸孔(3a)而到達(dá)地線GND(2b)，從而獲得自旋極化晶體管當(dāng)前的存儲狀態(tài)。在上述單位線存儲單元的尋址寫入操作中，首先由被選擇的字線WU2a)給出一個適當(dāng)?shù)碾娖绞咕w管TR(O)工作于導(dǎo)通狀態(tài)，然后由被選擇的位線BU2c)提供一個寫入電流，經(jīng)由接觸孔(3b)、晶體管TR(O)的漏極(Ob)、晶體管TR(O)的源極(0a)、接觸孔(3a) 而到達(dá)地線GNDQb)。由于字線WU2a)和位線BU2c)中的電流會分別產(chǎn)生磁場Hw和HB，并且兩條線產(chǎn)生的磁場相互垂直，兩磁場的合磁場HT可以使得鐵磁性絕緣體如的磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即讓鐵磁絕緣體中矯頑力較小的絕緣鐵磁體的磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)，而矯頑力較大的另外一個絕緣鐵磁體的磁矩方向保持不變，以此來實現(xiàn)兩鐵磁絕緣體的磁矩在平行和反平行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)“0”和“1”的寫入。需要注意的是，HT的值要大于矯頑力較小的鐵磁絕緣層的磁矩翻轉(zhuǎn)場臨界值H&。為防止寫入過程中將除所選單元以外存儲單元中鐵磁絕緣層的磁矩翻轉(zhuǎn)，Hff和Hb的值均不能超過Ηα。[實施例5]基于自旋晶體管的雙位線存儲單元圖9Α和9Β分別是本發(fā)明實施例的基于自旋場效應(yīng)晶體管的雙位線存儲單元的橫向剖面圖和沿圖9Α中線B-B的縱向剖面圖。從圖9Α和9Β中可以看出，該雙位線存儲單元與實施例4的單位線存儲單元的不同之處是在層Id中具有兩條相互平行的位線，即寫位線WBL(2c)和讀位線RBL (2d)，并且讀位線RBL (2d)通過金屬導(dǎo)通孔(3c)、過渡金屬層(3b) 和自旋場效應(yīng)晶體管的漏極相連。該基于自旋場效應(yīng)晶體管的雙位線存儲單元的俯視圖可參看圖9C。在上述單位線存儲單元的尋址讀出操作中，首先由被選擇的字線WU2a)給出一個適當(dāng)?shù)碾娖绞咕w管TR(O)工作于導(dǎo)通狀態(tài)，然后由被選擇的讀位線RBL(2d)相應(yīng)地導(dǎo)出一個讀出電流，經(jīng)由金屬導(dǎo)通孔(3c)、過渡金屬層C3b)、晶體管TR(O)的漏極(Ob)、晶體管TR(O)的源極(0a)、接觸孔(3a)而到達(dá)地線GND (2b)，從而獲得自旋極化晶體管當(dāng)前的存儲狀態(tài)。在上述單位線存儲單元的尋址寫入操作中，首先由被選擇的字線WU2a)和寫位線WBL(2c)同時通入電流，電流會產(chǎn)生磁場，并且兩條線產(chǎn)生的磁場相互垂直。兩磁場的合磁場可以使得鐵磁絕緣體如的磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入。在上述雙位線結(jié)構(gòu)中，由于讀位線Od)在數(shù)據(jù)讀出時為晶體管提供適當(dāng)大小的讀取電流，寫位線Oc)在數(shù)據(jù)寫入時提供位線方向的寫入電流，這種利用單獨的寫位線提供位線方向的寫入電流，可以有效避免位線方向的漏電流的產(chǎn)生。相比于實施例4的單位線結(jié)構(gòu)，可以更有效地進(jìn)行讀出或?qū)懭耄虼藶橐环N優(yōu)選結(jié)構(gòu)。從實施例4和5可以看出，通過位線和字線中的電流來控制絕緣層中兩側(cè)鐵磁絕緣體磁矩的方向，可以得到兩個不同的電阻狀態(tài)，由此進(jìn)行二進(jìn)制的數(shù)據(jù)存儲。由于磁矩的方向不會在斷電時發(fā)生改變，因此對于存儲單元來說，數(shù)據(jù)的存儲是非易失性的。根據(jù)本發(fā)明，提供一種基于上述具有單位線或雙位線結(jié)構(gòu)的存儲單元的磁性隨機(jī)存取存儲器。在本發(fā)明的磁隨機(jī)存儲器中，包括存儲單元陣列，該存儲單元陣列由上述存儲單元組成，包括單位線存儲單元或雙位線存儲單元。利用相互垂直的字線和位線對存儲單元進(jìn)行選擇進(jìn)而進(jìn)行讀和寫的操作。具體而言，對于單位線結(jié)構(gòu)存儲單元構(gòu)成的陣列，利用相互垂直的字線和位線可直接進(jìn)行讀和寫的操作。對于雙位線結(jié)構(gòu)存儲單元構(gòu)成的陣列， 利用相互垂直的字線和讀位線對所選擇的存儲單元進(jìn)行讀的操作；利用相互垂直的字線和寫位線對所選擇的存儲單元進(jìn)行寫的操作。和DRAM、SRAM等存儲器相比，上述基于自旋場效應(yīng)管的磁性隨機(jī)存取存儲器有數(shù)據(jù)非易失性、寫入快速等優(yōu)點；和MRAM相比，其結(jié)構(gòu)更加簡單，非常有利于提高存儲器的密度。根據(jù)本發(fā)明，還提供一種采用本發(fā)明自旋場效應(yīng)晶體管的磁性存儲單元的磁性存其中該磁性存儲器件還包括信號輸入線和信號輸出線。在一個實施例中，輸入線為字線和位線，因為數(shù)據(jù)的輸入同時需要(寫)字線和位線。輸出線為位線，但需要(讀) 字線的輔助打開晶體管。 盡管參照上述的實施例已對本發(fā)明作出具體描述，但是對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，應(yīng)該理解可以在不脫離本發(fā)明的精神以及范圍之內(nèi)基于本發(fā)明公開的內(nèi)容進(jìn)行修改或改進(jìn)，這些修改和改進(jìn)都在本發(fā)明的精神以及范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種自旋場效應(yīng)晶體管，包括柵極、源極和漏極；被設(shè)置用于在所述源極和漏極之間形成導(dǎo)電溝道的半導(dǎo)體層；和位于所述半導(dǎo)體層與所述柵極之間的柵極介質(zhì)層；其特征在于，該柵極介質(zhì)層包括第一、第二和第三部分，其中所述第一、第三部分在橫向上被所述第二部分間隔開，并且所述第一部分和第三部分由鐵磁性絕緣材料制成，所述第二部分由非磁性絕緣材料制成，所述第一部分和第三部分的矯頑力不同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述第一部分和第三部分由不同鐵磁性絕緣材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述第一部分和第三部分由同一鐵磁性絕緣材料制成，但具有不同體積。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自旋場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述第一部分和第三部分的寬度相同，厚度比在1 2 1 5之間；或厚度相同，寬度比在1 2 1 5之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述半導(dǎo)體層為N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體或石墨烯，其中當(dāng)柵極所加電壓大于晶體管開啟電壓時，在柵極介質(zhì)層和半導(dǎo)體層的界面處形成導(dǎo)電溝道。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的自旋場效應(yīng)晶體管，其特征在于，當(dāng)采用N型半導(dǎo)體或石墨烯時，所形成的導(dǎo)電溝道為可自旋極化的二維電子氣。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的自旋場效應(yīng)晶體管，其特征在于，當(dāng)采用P型半導(dǎo)體時，所形成的導(dǎo)電溝道為可自旋極化的二維空穴氣。
8.一種磁性存儲單元，其特征在于，該磁性存儲單元包括如權(quán)利要求1至7中任一項所述自旋場效應(yīng)晶體管。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的磁性存儲單元，其特征在于，所述存儲單元采用單位線結(jié)構(gòu)或雙位線結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的磁性存儲單元，其特征在于，所述單位線結(jié)構(gòu)包括字線和位線，其中所述字線為所述自旋場效應(yīng)晶體管的柵極，所述位線與所述字線相互垂直。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的磁性存儲單元，其特征在于，所述雙位線結(jié)構(gòu)包括字線、讀位線和寫位線，其中所述字線為所述自旋場效應(yīng)晶體管的柵極，所述讀位線和寫位線相互平行且被間隔開，該讀、寫位線均與所述字線相互垂直。
12.一種磁性存儲器，其特征在于，包括如權(quán)利要求9至11中任一項所述的磁性存儲單元 。
全文摘要
本發(fā)明提出一種自旋場效應(yīng)晶體管及其磁性存儲器，包括柵極、源極和漏極；被設(shè)置用于在所述源極和漏極之間形成導(dǎo)電溝道的半導(dǎo)體層；和位于所述半導(dǎo)體層與所述柵極之間的柵極介質(zhì)層；其中該柵極介質(zhì)層包括第一、第二和第三部分，其中所述第一、第三部分在橫向上被所述第二部分間隔開，并且所述第一部分和第三部分由鐵磁性絕緣材料制成，所述第二部分由非磁性絕緣材料制成，所述第一部分和第三部分的矯頑力不同。以本發(fā)明的自旋場效應(yīng)晶體管作為存儲單元的磁性存儲器具有數(shù)據(jù)非易失性、讀寫快速、存儲單元結(jié)構(gòu)簡單、低功耗和抗輻射等優(yōu)點。
文檔編號H01L27/22GK102315255SQ201010227339
公開日2012年1月11日 申請日期2010年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月7日
發(fā)明者于國強(qiáng), 張曉光, 王文秀, 韓秀峰, 駱軍 申請人:中國科學(xué)院物理研究所