[发明专利]一种线性掺杂的自旋场效应管

说明书

技术领域

本发明涉及自旋场效应管领域，尤其是涉及线性掺杂结构的自旋场效应管。 

背景技术

除了电荷以外，电子的另外一个属性是自旋。传统的半导体器件只利用了电子的电荷特性而自旋特性被忽略。目前由于半导体器件的尺寸的发展将接近极限，而自旋电子学 (Spintronics)是在传统半导体器件的基础上进一步考虑自旋这一新的特性，利用电子自旋来控制电子。利用自旋电子学来研制新的电子器件，成为一个新兴的学科。 

1990年，Datta和Das首次提出了自旋场效应晶体管，它是由铁磁/半导体/铁磁组成的类似三明治的结构。G.Schmidt研究出由于铁磁和半导体的电导不匹配，使得自旋注入率不高。E.Rashba和A.Fert等人指出在铁磁和半导体之间加一势垒,如果势垒足够高的话，可提高自旋电子的注入率^[3]。Bruno和Pareek用紧束缚近似的方法对自旋场效应晶体管进行了模拟计算，模拟了Rashba自旋-轨道耦合的二维电子气中的自旋相干特性。Matsuyama等人对铁磁/砷化铟/铁磁器件中弹道自旋输运和自旋干扰的模拟计算。除了上述的自旋场效应晶体管外，人们还提出了其他类型的自旋场效应晶体管。Ciuti等人在源极和漏极是非磁性的,栅极是由两个串联的铁磁组成，而这两个串联的铁磁的磁化方向的取向能够引起磁阻效应。 

本文在Y. Gao和T. Low的基础上^[7] ,采用弹道输运模型来研究自旋场效应晶体管(spin-FET)的电流特性，该模型采用二维非平衡格林函数（NEGF）和泊松（Poisson）方程对spin-FET参数进行自洽求解。利用这个模型，研究了spin-FET的输运特性，并与LDD和线性掺杂的spin-FET输运特性进行了对比。结合器件的工作原理，研究了器件在不同的Si沟道掺杂下的转移特性曲线，对影响器件性能的参数进行了验证。为spin-FET能够投入到实际的应用提供了理论的模型。 

发明内容

技术问题： 本发明的目的是针对传统纳米器件因短沟道效应和其他一系列副效应而引起的器件性能下降问题，提供一种线性掺杂的自旋场效应管，使得器件抑制热载流子效应的能力也增强。能够获得较高的磁电流比，这使得线性掺杂自旋场效应管在集成电路中的应用称为可能。 

技术方案：本发明受硅基横向沟道工程的启发，将用于改善传统MOSFET性能的掺杂结构引入自旋场效应管中，包括梯度掺杂结构 [周海亮, 池雅庆, 张民选. 基于梯度掺杂策略的碳纳米管场效应管性能优化[J]. 物理学报, 2010, 59(11): 8105-8111.]、轻漏掺杂结构 [OGURA S, TSANG P J, WALKER W W, et al. Design and characteristics of the lightly doped drain-source (LDD) insulated gate field-effect transistor[J]. IEEE Trans Electron Devices, 1980, 15(4): 1359-1367.]和线性掺杂结构[张盛东，韩汝琦.漂移区为线性掺杂的高压薄膜SOI器件的研制[J].电子学报，2001，29(2):1-3]。由于轻掺杂漏极结构可以有效地抑制器件的热载流子效应，线性掺杂结构可以有效抑制短沟道效应(如阈值电压漂移，漏致势垒降低效应)。基于上述考虑，本发明提出了在沟道进行线性掺杂。由于目前自旋场效应管的仿真还处于起步阶段，且目前很少有文献涉及这类掺杂结构的自旋场效应管电学特性的研究。为揭示纳米尺度该类器件的量子输运特性，本发明在非平衡格林函数(NEGF)框架下，通过自洽求解泊松方程和薛定谔方程，对不同掺杂结构的自旋场效应管的电学特性进行了数值模拟，并给出了相应的性能比较。本发明对揭示自旋场效应管的输运物理机制、改善自旋场效应管器件结构性能提供理论依据。 

本发明的线性掺杂的自旋场效应管是一种双栅结构，其中用半导体材料硅作为导电沟道，沟道与两个栅电极间用同种电介质材料填充，且两个栅电极以沟道为中心形成对称结构；该场效应管的源区和漏区为半金属铁磁，在硅沟道与源区和漏区之间有一层自旋随机层和隧穿氧化层，且在硅沟道有一个线性掺杂结构，即在沟道中掺杂浓度随着沟道长度而线性变化； 其中为沟道的掺杂浓度，为沟道的长度，为开始的沟道掺杂浓度，为掺杂线性变化的系数，沟道中掺杂的浓度随着沟道长度的增加而增大。