8、自旋晶体管技术：自旋电子学与CMOS混合逻辑电路的未来

自旋晶体管技术：自旋电子学与CMOS混合逻辑电路的未来

1. 自旋晶体管与伪自旋晶体管概述

自旋晶体管是一类将普通晶体管与自旋（磁阻）器件有用功能相结合的新型电子器件。自Datta和Das以及Johnson首次提出自旋晶体管概念以来，基于各种工作原理的自旋晶体管不断涌现。其中，自旋功能MOSFET（包括自旋MOSFET和伪自旋MOSFET）在集成电子领域，如互补金属氧化物半导体（CMOS）电路中具有巨大的应用潜力。

自旋功能MOSFET可分为两类：
- 自旋MOSFET ：采用铁磁源极和漏极的场效应自旋晶体管。
- 伪自旋MOSFET ：利用普通MOSFET和磁隧道结（MTJ）来重现自旋晶体管功能的电路。

2. 自旋MOSFET

2.1 器件结构

自旋MOSFET的基本结构由MOS电容以及铁磁源极和漏极（S/D）组成。为在沟道中产生自旋极化电流，其铁磁S/D采用高自旋极化铁磁体（HSP - FM）。同时，铁磁S/D需满足适当的接触电阻条件，以避免电导失配问题。此外，S/D在导通状态下作为与沟道的电接触，在关断状态下作为漏电流的阻挡接触。当采用高电阻薄体绝缘体上硅（SOI）沟道作为体势垒时，可消除阻挡接触。

半金属铁磁体（HMF），如全Heusler合金，是最有前途的HSP - FM候选材料。理论上，HMF在费米能级处的自旋极化率为100%，尽管实际中由于材料质量和结界面的影响，其半金属性会有所下降，但实验已实现高于90%的自旋极化率，足以满足自旋MOSFET的自旋晶体管操作。

自旋MOSFET的铁磁