[发明专利]具有被约束的自旋电子掺杂剂的自旋电子器件及相关方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子学领域，并且更具体地，涉及基于自旋的电子学及相关方法的领域。

背景技术

基于自旋的电子学或者自旋电子学充分利用了电子的电荷以及电子的自旋来允许新的器件具有例如增强的功能、更快的速度和/或减少的功耗。示例性的自旋电子器件是如图1A和1B所示的自旋阀。当自旋对准时自旋阀11提供了低阻(图1A)，而在自旋没有对准时提供了高阻(图1B)。自旋阀11可以用作例如非易失性存储元件。其它示例性的自旋电子器件包括在图2中示意性示出的自旋FET 12以及在图3中示出的量子位器件13。

例如公开的美国专利申请No.2006/0018816公开了包含氧化锌的稀磁性半导体(DMS)，其包括过渡元素或稀土镧系元素或者两者，其量足够将该材料从非磁性状态改变为室温铁磁状态。该材料可以为块体的形式或者薄膜的形式。DMS材料是半导体，其中过渡金属离子或稀土镧系元素替代了主体半导体材料的阳离子。更具体地，DMS材料15在图4B中示意性地示出，而其左边图4A中的是磁性材料14，及其右边图4C中的是非磁性材料16。

公开的美国专利申请No.2005/0258416公开了自旋电子开关器件，其在第一和第二导电区之间包含半金属(half-metal)区。该半金属区包含一种材料，该材料在少子自旋沟道(minority spin channel)中在本征费米能级处具有基本为零的可利用的电子态。改变半金属区相对于第一导电区的电压移动了其相对于第一导电区的电子能带的费米能级，这改变了多子自旋沟道(majority spin channel)中可利用的电子态的数目。由此，这改变了通过开关器件的多子自旋极化电流。半金属区可以包含CrAs并且导电区可以包含p掺杂或n掺杂半导体。例如，p掺杂半导体可以包含Mn掺杂的GaAs。

公开的美国专利申请No.2004/0178460公开了作为存储器和逻辑器件的自旋电子器件应用，其使用通过在室温下将自旋极化的载流子从铁磁体注入到半导体中来获得的自旋阀效应以及自旋极化的场效应晶体管。公开了铁磁材料为Fe、Co、Ni、FeCo、NiFe、GaMnAs、InMnAs、GeMn和GaMnN中的一个，且能够是具有100％自旋极化的半金属(诸如CrO2)。该半导体可以是选自Si、GaAs、InAs和Ge中的一个。同样，公开了自旋沟道区为绝缘体上硅(SOI)或者化合物半导体的二维电子气。

Jonker等人的论文“Electrical Spin Injection and Transport inSemiconductor Spintronic Devices”(MRS Bulletin/Oct.2003，pp.740-748)公开了使用载流子自旋作为新的自由度的半导体异质结构。该论文公开了在器件中实现半导体自旋电子学技术的四个基本要求，并且提到了自旋极化载流子到半导体中的有效电注入已经是严重妨碍该领域进步的关键问题。该论文还公开了材料质量上的进步已经将Ga_1-xMn_xAs的居里温度增大到～150°K并具有超过室温的潜力。自旋相关的共振隧穿被确定为能够以非常有效的方式来增大隧道接触(tunneling contact)的自旋选择性。如果适当地调整量子阱和势垒的参数，则包含两个绝缘势垒之间的非磁性半导体量子阱以及两个铁磁半导体电极的双势垒异质结(DBH)可以相当于半金属结。

当前的自旋电子学技术受到当前使用的材料的限制。例如，如Jonker等人指出的，重要的是具有有效的自旋载流子注入。同样期望具有与现有半导体处理技术的制造和操作的兼容性。同样期望磁有序或居里温度在室温处或接近室温，而不是更典型的100-200°K。一种可能的方法是如上述美国专利申请No.2004/0178460中公开的DMS材料。