CN104393167A - 霍尔条微器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种霍尔条微器件。该霍尔条微器件包括：衬底；凸台，位于衬底上并具有预定的霍尔条形状，并具有平整的上表面；以及薄膜层，由拓扑绝缘体材料在凸台的表面上外延生长而成，且具有与凸台相对应的形状。本发明在制备三维拓扑绝缘体薄膜器件时，惊奇地发现，掺杂磁性元素Cr后，(BixSb1-x)2Te3材料变成了铁磁性的绝缘体。采用掺Cr的(BixSb1-x)2Te3材料作为薄膜层制备来三维拓扑绝缘体薄膜器件，拓扑绝缘体具有边态，在极低的温度条件下就可以测量量子反常霍尔效应，即在不加外加磁场的情况下观察到量子霍尔效应，这一效应在计量学，未来的电子器件应用中将会有巨大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜微器件加工技术领域，尤其是涉及一种霍尔条微器件。
背景技术
拓扑绝缘体是一种新的量子物态。传统上固体材料可以按照其导电性质分为绝缘体和导体，其中绝缘体材料在其费米能级处存在着有限大小的能隙，因而没有自由载流子。金属材料在费米能级处存在着有限的电子态密度，进而拥有自由载流子。而拓扑绝缘体是一类非常特殊的绝缘体，从理论上分析，这类材料的体内的能带结构是典型的绝缘体类型，在费米能级处存在着能隙，然而在该类材料的表面则总是存在着穿越能隙的狄拉克型的电子态，因而导致其表面总是金属性的。拓扑绝缘体这一特殊的电子结构，是由其能带结构的特殊拓扑性质所决定的。
拓扑绝缘体因其独特的电子结构和性质成为近年来凝聚态物理研究的热点领域。三维拓扑绝缘体具有绝缘型的体能带和受时间反演对称性保护的金属型表面态。这种表面态在动量空间具有狄拉克型的色散关系，并且在狄拉克点之外的地方是自旋非简并的。这种独特的拓扑表面态有可能导致多种新奇的量子现象，如表面量子霍尔效应、激子凝聚现象、量子反常霍尔效应等，三维拓扑绝缘体已经在很多材料中被预言或发现。
Bi2Se3家族的化合物(Bi2Se3，Bi2Te3，Sb2Te3)因为其简单的表面态结构、较大的体能隙、较易制备等优点成为目前研究最多的一类三维拓扑绝缘体材料。人们已通过分子束外延法(MBE)在多种衬底上生长出高质量的Bi2Se3家族的拓扑绝缘体薄膜，并在其中观测到了一些新奇的量子现象和物理性质。但是采用Bi2Se3家族的化合物作为拓扑绝缘体薄膜，制备得到的霍尔条微器件无法测量量子反常霍尔效应。
因此，目前迫切需要出现一种新的霍尔条微器件，以解决现有技术中所存在的上述问题。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种霍尔条微器件，可以用来测量量子化反常霍尔效应。
应用本发明的技术方案，提供了一种霍尔条微器件，包括：衬底；凸台，位于衬底上并具有预定的霍尔条形状，并具有平整的上表面；以及薄膜层，由拓扑绝缘体材料在凸台的表面上外延生长而成，且具有与凸台相对应的形状。
进一步地，凸台与衬底为一体结构。
进一步地，凸台是对衬底刻蚀形成。
进一步地，凸台的厚度为100nm～500nm。
进一步地，从凸台的上表面至衬底的方向上，凸台的横截面大小一致。
进一步地，在从凸台的上表面至衬底的方向上，凸台的横截面渐缩。
进一步地，凸台的纵向截面为倒梯形。
进一步地，薄膜层的厚度为5nm～10nm。
进一步地，衬底的材料为SrTiO3。
进一步地，拓扑绝缘体材料为掺铬的铋锑碲合金。
应用本发明的技术方案，在制备三维拓扑绝缘体薄膜器件时，申请人惊奇地发现，掺杂磁性元素Cr后，(BixSb1-x)2Te3材料变成了铁磁性的绝缘体。采用掺Cr的(BixSb1-x)2Te3材料作为薄膜层来制备三维拓扑绝缘体薄膜器件，拓扑绝缘体具有边态，在极低的温度条件下就可以测量量子反常霍尔效应。所谓的量子反常霍尔效应，即在不加外加磁场的情况下观察到量子霍尔效应，这一效应在计量学，未来的电子器件应用中将会有巨大的应用前景。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1为本发明一种实施例中在SrTiO3(STO)衬底上通过预刻蚀获得Hallbar形状凸平台、并利用MBE方法制备出拓扑绝缘体薄膜的Hall bar器件的原理示意图；
图2为本发明一种典型实施例制备的霍尔条微器件的结构示意图；
图3为本发明一种典型实施例中对STO衬底经过紫外光刻后的光学显微镜照片；以及
图4-图7为本发明的其它典型实施例中的霍尔条微器件的结构示意图。
具体实施方式
如图2所示，本发明提供了一种霍尔条(Hall bar)微器件，包括衬底10、凸台20和薄膜层30。其中，凸台20位于衬底10上并具有预定的霍尔条形状，凸台20具有平整的上表面21，以用于拓扑绝缘体材料在该上表面21上外延生长。薄膜层30由拓扑绝缘体材料在凸台20的表面21上生长而成，且具有与凸台20相对应的形状。优选地，拓扑绝缘体材料为掺铬的铋锑碲合金。进一步优选地，拓扑绝缘体材料为掺Cr的(BixSb1-x)2Te3材料，0＜x＜1。
霍尔条微器件是指用于测量霍尔效应的固态电子器件。E.H.霍尔于1879年发现：一块矩形导体或半导体材料在磁感应强度为Bz的磁场中，在垂直于磁场的方向有电流Ix通过器件，在既垂直于磁场Bz、又垂直于电流Ix的方向将产生电场Ey，这就是霍尔效应。用霍尔条微器件测量磁场强度的特点是：器件很小很扁(可以放在窄缝中)，具有较高的准确度、灵敏度和稳定性，还有较宽的工作温度范围。
其中，Cui-Zu Chang等人在文献Experimental Observation of theQuantum Anomalous Hall Effect in a Magnetic Topological Insulator中已经公开了掺Cr的(BixSb1-x)2Te3材料。发明人惊奇地发现，掺杂磁性元素Cr后，(BixSb1-x)2Te3材料成为了铁磁性的绝缘体。拓扑绝缘体具有边态，在Cr磁性离子掺杂的(BixSb1-x)2Te3材料的拓扑绝缘体中存在着特殊的V.Vleck铁磁交换机制，能形成稳定的铁磁绝缘体，是实现量子反常霍尔效应的最佳体系。因此，本发明采用掺Cr的(BixSb1-x)2Te3材料作为薄膜层制备的霍尔条微器件(也称为拓扑绝缘体薄膜器件)，在极低的温度条件下就可以测量量子反常霍尔效应。
量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场，“相当于外加10个计算机大的磁铁，这不但体积庞大，而且价格昂贵，不适合个人电脑和便携式计算机。”而量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场，在零磁场中就可以实现量子霍尔态，更容易应用到人们日常所需的电子器件中。因此，本发明制备的霍尔条微器件，使得量子反常霍尔效应在零磁场的条件下应用量子霍尔效应成为可能，并且这些效应可能在未来电子器件中发挥特殊的作用，可用于制备低能耗的高速电子器件。
拓扑绝缘体有很多独特的输运性质，要在微米尺度甚至亚微米尺度的结构中才能观测到。例如，拓扑绝缘体的表面态具有电子弹性散射的背散射缺失的特性。本发明在制备霍尔条微器件时，可以采用现有的制备方法。现有技术中为了将一个外延薄膜加工成微器件，一般需要对其进行紫外光刻或电子束刻蚀。而微器件制作工艺需要使材料表面接触各种化学物质，如光刻胶、显影液以及各种有机溶剂等。尽管由于拓扑保护，这些化学物质不会破坏拓扑绝缘体的表面态，但与这些物质的接触却有可能显著改变载流子浓度和迁移率，从而影响各种量子效应的观测。
为了解决上述问题，本发明的霍尔条微器件是可以通过在不影响拓扑绝缘体外延薄膜表面环境的情况下对其进行微加工获得，以便实现各种量子现象。在本发明的一种典型实施例中，以STO衬底10上生长的三维拓扑绝缘体(掺Cr的(BixSb1-x)2Te3)为例，展示了一种不需对拓扑绝缘体薄膜本身进行刻蚀而将其制成微器件的方法。即将STO衬底利用紫外光刻预先刻蚀出一个具Hallbar器件形状、高度为几百个纳米的凸平台，以这样的凸平台为模板，利用MBE可以直接生长出具有Hall bar形状的掺Cr的(BixSb1-x)2Te3薄膜。这种微器件制作方法不会对薄膜质量产生影响，解决了阻碍拓扑绝缘体各种量子效应实现的一个关键问题。具体制作方法如下：
采用STO(111)单晶衬底(购买于合肥科晶)。将其切成约2mm×5mm大小进行后续的微加工过程和MBE生长。图1为制备霍尔条微器件的原理示意图，整个过程分为五步：
第一步，将STO衬底10在115℃加热1分钟，以去除吸附在表面的水分。然后在STO表面旋涂光刻胶层40，如图1(a)、(b)所示。所采用的光刻胶层40是浓度为2％的S1813的正性胶，所用胶层40的厚度约为400nm。
第二步，利用预先准备好的具有Hall bar图形的掩模板和掩模对准式紫外曝光机(MA6，Karl Süss)对STO衬底10上的光刻胶层40进行曝光，然后将样品在MF319显影液中浸泡1分钟显影。衬底10上剩余的未被曝光的光刻胶层40呈现掩模版的Hall bar形状，如图1(c)所示。
第三步，利用反应离子刻蚀系统(PlasmaLab 80 Plus，Oxford Instruments)产生的氩离子束轰击衬底10表面。没有被光刻胶覆盖的衬底10将被刻蚀，而被光刻胶覆盖的Hall bar形状区域则不会受到离子束影响，如图1(d)所示。
第四步，利用丙酮清洗掉衬底10表面的光刻胶层40，这样就获得了具有Hall bar形状凸台20的衬底10。利用获得清洁STO(111)表面的标准方法对此衬底10进行处理：首先将其置于80℃的去离子水中加热两个小时，然后将其置于管式炉中，在氧气气氛下、930℃下退火两个小时，这样在凸台20上就可以获得适于拓扑绝缘体薄膜MBE生长的重构表面。
第五步，将处理过的STO传入超高真空MBE腔(本底真空1×10-10mbar)，进行掺Cr的(BixSb1-x)2Te3薄膜的生长。在MBE生长过程中，STO衬底温度设为约180℃，Cr、Bi、Sb和Te均由Knudsen Cell蒸发，Sb(Bi)与Te束流比约为1:10。生长的薄膜是5QL(quintuple layer)厚的Cr0.15(Bi0.1Sb0.9)1.85Te3，这种薄膜接近电荷中性点，是探测拓扑表面态各种效应的理想系统。
在本发明的一个优选实施例中，用于制作衬底10的材料为SrTiO3。衬底10的厚度可以根据需要设置。凸台20与衬底10为一体结构，这样在后续可以实现外延生长和输运测试。进一步优选地，凸台20的厚度为100nm～500nm。凸台20的高度要高于外延生长薄膜过程中原子的迁移距离。这样在薄膜生长过程中，凸台20上的薄膜部分会和凸台20下的部分断开联系，即凸台20上外延生长的薄膜层30与衬底10其他部分上的薄膜不会有电接触，并具有凸台20的Hall bar形状，这样就获得了凸台20上独立的Hall bar微器件。另外，也可以对没有掩膜的衬底10部分，即凸台20下部分进行粗糙化处理，使其不适合外延生长。这样在薄膜层30外延生长过程中，凸台20上、下的区别进一步加大，有利于形成单独的凸台20上的电子器件。
在本发明的一个典型实施例中，从凸台20的上表面21至衬底10的方向上，凸台20的横截面大小一致。即该凸台20的任何一个横截面其形状和大小是相同的，且凸台20垂直于衬底10设置。在本发明的其它实施例中，从凸台20的上表面21至衬底10的方向上，凸台20的横截面渐缩。
图3显示了在另一个实施例中对STO衬底经过紫外光刻后的光学显微镜照片，其呈现了另一种霍尔条形状。从图3中可以分辨出具有六个电极1-6的Hall bar形状的凸台，其中电极1和4为电流电极，电极2和3以及5和6为电压电极。电极的形状是可以相对随意变化的，图4-图7为其它典型实施例中的霍尔条微器件的结构示意图，电极形状的变化不会影响测量结果。在图3中，电极1和4是测量时通过电流的方向，一般测量时给出一个固定的电流大小，比如1微安。然后在电极2和3(或者电极5和6)测纵向电阻Rxx。在电极2和6(或者电极3和5)测横向电阻Rxy，该Rxy即是霍尔电阻。
在本发明的一个典型实施例中，Hall bar微器件的宽度约为50μm，相邻电压电极之间距离约为150μm。在其它实施例中，也可以设计出Hall bar微器件具有最大到毫米级的电极尺寸，其优点是在MBE生长过程中仍可以利用高能电子衍射(reflective high energy electron diffraction,RHEED)对凸台20上薄膜层30的生长进行监控。光刻后STO衬底10表面的清洁程度和表面形貌对氩离子刻蚀的条件非常敏感。首先，刻蚀掉几百个纳米厚的STO衬底需要较长的刻蚀时间，而氩离子的长时间连续轰击会导致光刻胶的变性，使其难以去除。为了解决这个问题，我们将刻蚀的程序设置为每刻蚀1分钟停2分钟以减轻光刻胶的变性，并且在氩刻后用氧等离子体处理表面，以帮助光刻胶的消除。其次，我们发现当氩离子功率设定过高时，衬底10在氧气氛下高温退火后其表面会变得粗糙。
可见，通过在预先刻蚀好Hall bar形状凸台20的衬底10上进行MBE生长可以直接实现Hall bar微器件的制备。在此方法中，由于微加工过程被提到了衬底处理和MBE生长之前，因此所获得薄膜在质量上和普通MBE生长的薄膜基本没有区别。这尤其适合拓扑绝缘体外延薄膜和量子反常霍尔系统的微器件制作。尽管此实验仅使用紫外光刻进行衬底的预刻蚀，原则上也可以使用电子束刻蚀和聚焦离子束刻蚀技术预刻蚀衬底，以获得更小尺寸的器件。
在本发明的一个典型实施例中，薄膜层30的厚度为5nm～10nm。如果薄膜层30的厚度大于10nm，则很难测出量子反常霍尔效应。如果薄膜层30的厚度小于5nm，则会导致薄膜基本绝缘。利用此方法获得均匀薄膜的尺寸下限是由薄膜MBE生长的成核间距决定。这个尺度由MBE生长动力学决定，对不同的系统和生长条件有很大不同，在某些情况下可以达到纳米尺度。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (10)
1.一种霍尔条微器件，包括：
衬底(10)；
凸台(20)，位于所述衬底(10)上并具有预定的霍尔条形状，并具有平整的上表面(21)；以及
薄膜层(30)，由拓扑绝缘体材料在所述凸台(20)的所述表面(21)上外延生长而成，且具有与所述凸台(20)相对应的形状。
2.根据权利要求1所述的霍尔条微器件，其特征在于，所述凸台(20)与所述衬底(10)为一体结构。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的霍尔条微器件，其特征在于，所述凸台(20)是对所述衬底(10)刻蚀形成。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的霍尔条微器件，其特征在于，所述凸台(20)的厚度为100nm～500nm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的霍尔条微器件，其特征在于，从所述凸台(20)的所述上表面(21)至所述衬底(10)的方向上，所述凸台(20)的横截面大小一致。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的霍尔条微器件，其特征在于，从所述凸台(20)的所述上表面(21)至所述衬底(10)的方向上，所述凸台(20)的横截面渐缩。
7.根据权利要求6所述的霍尔条微器件，其特征在于，所述凸台(20)的纵向截面为倒梯形。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的霍尔条微器件，其特征在于，所述薄膜层(30)的厚度为5nm～10nm。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的霍尔条微器件，其特征在于，所述衬底(10)的材料为SrTiO3。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的霍尔条微器件，其特征在于，所述拓扑绝缘体材料为掺铬的铋锑碲合金。
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