[发明专利]一种自旋场效应晶体管

说明书

本发明提供了一种自旋场效应晶体管，所述晶体管包括：绝缘衬底；依次设置在所述绝缘衬底上的第一半导体层和第二半导体层；分别设置在所述第二半导体层上两端的源电极和漏电极；设置在所述源电极和漏电极之间以及覆盖在所述源电极和漏电极上的介电层，以及，设置在所述源电极和漏电极之间的介电层上的栅极；其中，所述第一半导体层和所述第二半导体层的导电类型或载流子浓度不同。本发明在第一半导体层和第二半导体层之间形成pn结或内建电场，提高自旋载流子注入的效率。

技术领域

本发明涉及半导体材料及器件技术领域，特别是涉及一种自旋场效应晶体管。

背景技术

现代电子技术迅猛发展，传统基于电子电荷属性的器件已经满足不了集成度和运算速度的要求。场效应晶体管(field effect transistor，FET)便是其中一种基于半导体材料，通过电场效应调控晶体管导电沟道的形状，进而达到调控相应类型载流子导电性的电子元件，为提高单位面积的计算能力，场效应晶体管的尺寸不断缩小，已接近量子隧穿效应的极限尺寸。

在这样的背景下，人们针对利用电子自旋自由度开展了各种的自旋逻辑器件、存储器件和场效应器件的研发。例如，利用隧道磁电阻(Tunnel magnetoresistance，TMR)实现了磁随机存储器(magnetic random access memory，MRAM)。近些年，又提出利用自旋转移矩(spin transfer torque，STT)和自旋轨道矩(spin orbit torque，SOT)来实现电流的低功耗写入。

上个世纪90年代，Datta和Das首次提出了结合电子自旋自由度和电荷自由度的器件——自旋场效应晶体管(spin field effect transistor，SPIN-FET)，自旋场效应晶体管在原理上与普通场效应晶体管类似，所不同的是，将源极和漏极用磁性材料代替，以期提供自旋极化的载流子，而导电沟道为二维电子气。所以，自旋电子由源极注入到沟道以及自旋电子在沟道内的输运显得至关重要。传统的自旋场效应晶体管，由于铁磁金属与半导体材料的电导不匹配，因此自旋的注入效率很低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

如何提高自旋注入效率，从而实现高性能的自旋场效应晶体管。

(二)技术方案

本发明提供了一种自旋场效应晶体管，所述晶体管包括：绝缘衬底；依次设置在所述绝缘衬底上的第一半导体层和第二半导体层；分别设置在所述第二半导体层上两端的源电极和漏电极；设置在所述源电极和漏电极之间以及覆盖在所述源电极和漏电极上的介电层，以及，设置在所述源电极和漏电极之间的介电层上的栅极；其中，所述第一半导体层和所述第二半导体层的导电类型或载流子浓度不同。

可选地，所述第二半导体层完全覆盖所述第一半导体层。

可选地，所述第二半导体层部分覆盖所述第一半导体层，所述第一半导体层上未被覆盖区域上设置介电层。

可选地，所述第一半导体层和所述第二半导体层均为1层以上。

可选地，所述第一半导体层和所述第二半导体层由不同导电类型或相同导电类型但不同载流子浓度的二维范德瓦尔斯材料组成。

可选地，所述第一半导体层和所述第二半导体层的材料为InSe、GaSe或黑磷。

可选地，所述绝缘衬底和所述第一半导体层之间设置有1-10层石墨烯。

可选地，所述设置在所述源电极和漏电极之间的介电层长度为10-150nm。

可选地，所述绝缘衬底的材料为重掺杂Si/SiOx、AlOx、或BN。