DE10031401C2 - Dreitorbauelement, insbesondere Spininjektionstransistor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dreitorbauelement, insbesondere einen Spininjektionstransistor, mit einem Emitter, einem Kollektor und einer Basis, wobei der Kol­ lektor und die Basis ferromagnetische Schichten sind, zwischen welchen eine Tunnel-Isolationsschicht angeordnet ist, wie aus WO 96/07208 A1 bekannt.

Dreitorbauelemente und hier insbesondere Transistoren werden in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt. Vor al­ len Dingen im Computerbereich ist der Bedarf nach schnel­ len Schaltern aufgrund der erheblichen Verringerungen in der Baugröße und der ständig wachsenden Geschwindigkeiten erheblich. Aus diesem Grund gibt es eine Reihe von Ent­ wicklungsansätzen für schnell arbeitende Transistoren. In dem Artikel "Tunneling Hot Electron Transfer Amplifiers (THETA)" von M. Heiblum, Solid State Electronics, 24, 343 (1981) sind beispielsweise eine Reihe von Metalltransi­ storen mit nichtmagnetischen Schichten beschrieben.

Weiterhin werden derzeit mit großem Aufwand ferroelektri­ sche und magnetoresistive Speichertechnologien entwic­ kelt, deren Perspektive darin besteht, den versorgungs­ spannungsabhängigen DRAM (Dynamic Random Access Memory) durch einen versorgungsspannungsunabhängigen, nicht flüchtigen Speicherbaustein, bezeichnet als "FRAM" (Ferroelectric Random Access Memory) bzw. "MRAM" (Magnetic Random Access Memory), zu ersetzen.

Für MRAMs kommen verschiedene magnetoresistive Effekte in Betracht. AMR-(Anisotrope Magneto Resistance) Speicher beruhen darauf, daß der Widerstand für elektrische Ströme parallel und senkrecht zur Magnetisierungsrichtung eines Leitermaterials verschieden ist. Das GMR-(Giant Magneto Resistance)Speicherkonzept beruht auf dem Riesen-Magneto- Widerstandseffekt, welcher in Schichtstapeln, bestehend aus alternierend angeordneten nanometerdünnen magneti­ schen Schichten (z. B. aus Kobalt) und nichtmagnetischen Schichten (z. B. aus Kupfer), auftritt. Ein dritter Kandi­ dat für MRAMs sind magnetische Tunnelkontakte. Sie beste­ hen aus zwei ferromagnetischen Schichten, die von einer dünnen Tunnelisolationsschicht getrennt sind.

Die Wirkungsweise von magnetischen Tunnelkontakten beruht auf einer spinabhängigen Änderung des Tunnelwiderstands (TMR: Tunnel Magneto Resistance) für normal leitende Elektronen, dem eine Spinpolarisation der beteiligten ma­ gnetischen Schichten zugrunde liegt. Bis vor kurzem hatte dieser Effekt nur Grundlagencharakter, da die beim spinabhängigen Tunnel gemessenen relativen Änderungen des Magneto-Widerstandes ΔR/R unter 1% lagen. Die Situation änderte sich 1995, nachdem T. Miyazaki et al in "Giant magnetic Tunneling effect in Fe/Al₂O_3//Fe junction", J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995) von magnetischen Tunnelkontakten mit Werten um ΔR/R ≧ 18% bei Raumtemperatur berichteten.

M. Johnson hat in "The all-metal spin transistor", IEEE Spectrum May 1994, 47 bereits eine mögliche Realisierung eines Spintransistors auf der Basis des GMR-Effektes be­ schrieben. In diesem Fall sind jedoch die absoluten Wi­ derstände (einige µOhm) sehr klein und für Anwendungen kaum anwendbar.

Aus der WO 96/07208 A1 ist weiterhin ein Dreitorbauele­ ment mit einem Kollektor und einer Basis bekannt, wobei der Kollektor und die Basis ferromagnetische Schichten sind, zwischen welchen eine Tunnel-Isolationsschicht an­ geordnet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Dreitorbauelement und insbesondere ein Spintransistor zu schaffen, mit dem hohe Widerstände und schnelle Schaltzeiten realisierbar sind.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Emitter von einer ferromagnetischen oder nichtmagneti­ schen Schicht gebildet wird, die von dem Kollektor durch eine dazwischenliegende Tunnel-Isolationsschicht getrennt ist.

Der Erfindung liegt damit die Überlegung zugrunde, ein Dreitorbauelement auf der Basis eines magnetischen Tun­ nelkontakts herzustellen, bei dem der Tunnelkontakt um einen weiteren Tunnelkontakt, der den Emitter bildet, erweitert ist. Der Aufbau eines Dreitorbauelements aus magnetischen Tunnelkontakten bietet den Vorteil, daß sie im Vergleich zu AMR- oder GMR- Elementen hochohmig sind und daher eine bessere Kompati­ bilität mit bestehenden integrierten Halbschalterleitun­ gen etc. aufweisen. Das Dreitorbauelement kann dabei über die angelegten Ströme, deren Richtungen, das Volumen der Basiselektrode, die Größe der Tunnelkontaktflächen, die Widerstände der Tunnelkontakte und die Richtungen der Ma­ gnetisierungen optimiert werden. Eventuell ist es auch möglich, eine nichtmagnetische Schicht als Emitter einzu­ setzen. Auch die Injektion aus einer nichtpolarisierten Schicht sollte zu Änderungen der Zustandsdichte in der Basis führen und den gewünschten Effekt einer Span­ nungsänderung im Tunnelkontakt zwischen Basis und Kollek­ tor herbeiführen. Beispiele dafür, auf welche Weise die Tunnelkontakte im einzelnen ausgebildet sein können, sind in der deutschen Patentanmel­ dung 199 38 215.8 offenbart, auf die in diesem Zusammen­ hang vollinhaltlich Bezug genommen wird.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie die nachfol­ gende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Be­ zugnahme auf die beiliegende Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 schematisch und in perspektivischer Dar­ stellung ein Dreitorbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung und

Fig. 2 in schematischer Darstellung ein Schaltbild eines als Spininjektionstransistor (SIT) arbeitenden Dreitorbauelements gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein magnetisches Dreitorbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dieses Dreitor­ bauelement, das einen Spininjektionstransistor bildet, besteht aus mehreren übereinanderliegend angeordneten Schichten mit drei ferromagnetischen Schichten 1, 2, 3, zwischen denen zwei Tunnel-Isolationsschichten 4, 5 ange­ ordnet sind. Konkret bildet die untere ferromagnetische Schicht 3 die Basis, die mittlere ferromagnetische Schicht 2 den Kollektor und die über dem Kollektor 3 lie­ gende ferromagnetische Schicht den Emitter 1 des Transi­ stors, wobei der Kollektor 2, der Emitter 1 und die Basis 3 durch die Tunnel-Isolationsschichten 4, 5, die bei­ spielsweise aus Al₂O₃ bestehen können, voneinander ge­ trennt sind. Dabei bildet die Basis 3, der Kollektor 2 und die dazwischenliegende Tunnel-Isolationsschicht 5 ei­ nen ersten Tunnelkontakt und der Emitter 1, der Kollektor 2 und die dazwischenliegende Tunnel-Isolationsschicht 4 einen zweiten Tunnelkontakt.

Nicht dargestellt ist, daß an dem Emitter 1, dem Kollek­ tor 2 und der Basis 3 Metallisierungen aufgebracht sind, über welche das Dreitorbauelement elektrisch kontaktiert wird. Die elektrische Kontaktierung wird in der in Fig. 2 dargestellten Weise über eine äußere Beschaltung realisiert, mittels welcher eine Spannung V über eine Batterie 8 oder dergleichen an die Metallisierungen an dem durch die Basis 3, den Kollektor 2 und die dazwischenliegende Tunnel-Isolationsschicht 5 gebildeten ersten Tunnelkon­ takt angelegt werden kann. Des weiteren liegen zwischen dem Emitter 1 und dem Kollektor 3 einerseits und der Ba­ sis 3 und dem Kollektor 2 andererseits Stromquellen 6, 7 an.

Wie in Fig. 2 durch die Pfeile A und B angedeutet ist, ist für den ersten Tunnelkontakt, der von der Basis 3, dem Kollektor 2 und der dazwischenliegenden Tunnel- Isolationsschicht 5 gebildet wird, die Magnetisierung an­ tiparallel gerichtet. Damit befindet sich der erste Tun­ nelkontakt im hochohmigen Zustand. Der Stromfluß der spinpolarisierten Ladungsträger ist von der Basis 3 zum Kollektor 2 gerichtet, wie durch den Pfeil D angedeutet ist. Wenn ein Strom durch den in Fig. 2 rechten zweiten Tunnelkontakt, der von dem Emitter 1, dem Kollektor 2 und der dazwischenliegenden Tunnel-Isolationsschicht 4 gebil­ det wird, ebenfalls in den Kollektor 2 injiziert wird (Pfeil E), so kommt es zu einer drastischen Änderung der Besetzungsdichte an der Fermi-Kante des Kollektors 2, und zwar für beide Spinrichtungen. Die Besetzung von Zustän­ den an der Fermi-Kante durch den Strom vom Emitter 1 in den Kollektor führt zu einer Reduzierung des TMR-Effekts in dem zweiten Tunnelkontakt 1, 2, 4 und somit zu einer Än­ derung der Spannung am ersten Tunnelkontakt 3, 2, 5. Der Emitter-Kollektor-Strom steuert also die Spannung über dem zweiten Tunnelkontakt 1, 2, 4.

Der so gebildete Spininjektionstransistor kann über die angelegten Ströme, deren Richtung, das Volumen der Kol­ lektorelektrode 2, die Größe der Tunnelkontaktflächen, die Widerstände der beiden Tunnelkontakte 1, 2, 5; 2, 3, 4 und die Richtungen der Magnetisierungen optimiert wer­ den. Eventuell ist es möglich, auch eine nichtmagnetische Schicht als Emitter 1 einzusetzen. Auch die Injektion aus einer nichtpolarisierten Schicht sollte zu Änderungen der Zustandsdichte in dem Kollektor 2 führen und den ge­ wünschten Effekt einer Spannungsänderung im ersten Tun­ nelkontakt 1, 2, 5 herbeiführen.

Claims (2)

1. Dreitorbauelement mit einem Emitter (1), einem Kol­ lektor (2) und einer Basis (3), wobei der Kollektor (2) und die Basis (3) ferromagnetische Schichten sind, zwischen welchen eine Tunnel-Isolationsschicht (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter (1) von einer ferromagnetischen oder nichtmagnetischen Schicht gebildet wird, die von dem Kollektor (2) durch eine dazwischenliegende Tunnel- Isolationsschicht (5) getrennt ist.

2. Dreitorbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Tunnelisolationsschichten (4, 5) oxidierte Metallschichten sind.