自旋场效应晶体管（Spin-FET）外延结构 *S

        自旋场效应晶体管（Spin Field Effect Transistor, Spin FET）是一种前沿的微电子技术。它不仅依赖于电子的电荷性质，而且还利用了电子的自旋性质。依据量子力学理论，电子不仅拥有电荷性质，还具备一个较少为人知的自旋特性，即电子具有固有的自旋角动量。因此，在外加磁场中，除了受到洛伦兹力的作用，运动中的电子还能通过其固有磁矩与磁场产生耦合反应。利用电子的电荷性质和自旋性质作为信息的双重载体，特别是将电子的自旋性质融入半导体器件中，催生了一种新型的半导体器件，即自旋电子器件。目前，研究人员试图开发具有不同模型的自旋场效应晶体管。为了提高其性能并将其应用到各种器件中，已有研究小组已经努力测试了几种材料，如InAs、InAlAs、InP、InGaAs，作为自旋场效应晶体管中的沟道材料。可供半导体外延片用于自旋场效应晶体管研究，外延结构如下，仅供参考：

1. InP基自旋场效应晶体管外延结构

2. 自旋场效应晶体管的优势

        首先从晶体管在动态（有源）模式下工作时的能量角度进行分析。为了继续在提高器件性能方面取得惊人进展，2018年国际半导体技术路线图预测的开关能量（在开启和关闭状态之间切换所需的能量）为1500 eV/µm。即使对于10nm的虚栅极宽度（迄今为止达到的最小栅极宽度约为40nm），基于电荷转移工作的器件所需的开关能量也将比这个量大约大三个数量级。另一方面，Datta和Das提出的自旋场效应晶体管的最小开关能量仅为23meV。这些表明，基于自旋的晶体管比目前的基于电荷的器件具有巨大的优势。

        其次从晶体管在静态模式下工作（没有在导通和截止状态之间切换，但必须保持其导通和关断状态）的能量角度分析。在自旋晶体管中，由于其数据存储的磁性，静态功耗降低到零，而在目前的基于电荷的器件中，静态功耗是提高晶体管性能的主要挑战。电荷基器件中的静态功耗是由于源极-漏极泄漏造成的，可以通过增加势垒（例如通过增加沟道长度）来最小化。然而，研究者现在发现，这种旨在降低静态功耗的解决方案，同时增加了设备的动态功耗。这是因为当器件中存在更高的势垒时，应该向器件的触点施加更高的电压，从而导致更高的功耗。

        此外，基于自旋场效应晶体管可以进一步缩小晶体管器件的尺寸，而基于电荷的器件已经达到了其栅极长度的最小限制，约为40nm。

3. 自旋场效应晶体管的研究兴趣分类统计

        研究人员根据结构发展、材料性能、性能改进和应用对2020年及之前自旋场效应晶体管的研究兴趣进行粗略的统计。已经观察到，大多数研究都是从自旋场效应晶体管的结构开发和探索器件的各种新型材料角度进行的。也有部分研究是对当前自旋场效应晶体管的性能改进方面进行探索。就自旋场效应晶体管的应用探索而言，所做的研究较少。具体数据如图1所示：

图1 截止至2020年自旋场效应晶体管的研究兴趣分类统计

        在1990年之前，自旋电子器件领域的研究很少。然而，在提出自旋的概念后，观察到研究人员对自旋电子学领域，特别是自旋场效应晶体管的兴趣急剧增加。图2显示了自旋场效应晶体管领域已发表文章数量，呈指数增长，这表明自旋场效应晶体管的研究工作有所增加。

图2 自旋场效应晶体管领域的论文发表数量

        此外，对自旋场效应晶体管研究兴趣的另一个重要分类自旋输运的材料。主要为三类，包括体半导体、二维材料和其他，如图3所示。体半导体类别中主要包含了Si、InAs、GaAs、InP、InGaAs和InAlAs等材料。二维材料类别主要为石墨烯、硅烯、硫族化物等材料。最后，其他类别包含用于自旋传输的所有其他剩余材料，如半金属磁体、半金属铁磁体、量子点、量子线、范德华结构、铁磁绝缘体、有机纳米线、金膜等。

图3 自旋场效应晶体管中自旋传输材料

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