CN104779275B - 自激励自旋单电子电磁场效应晶体管、制备方法及应用 - Google Patents

自激励自旋单电子电磁场效应晶体管、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自激励自旋单电子自激励电磁场效应晶体管、制备方法及应用，该电磁场效应晶体管包括基板、源电极、漏电极、栅电极和纳米线有源区，源电极、漏电极和栅电极设置于基板上，纳米线有源区为源电极和漏电极之间的电流通道，纳米线有源区为掺杂有磁性金属的多型碳化硅纳米线。本发明室温可实现单电子库伦阻塞效应和单电子隧穿效应；同时，在实现单电子库伦阻塞和单电子隧穿效应时，单电子振荡产生变化电场，变化电场产生变化磁场，在施加源漏电压补充能量情况下，可呈现多结构的电磁振荡，产生皮安级的单电子自旋电流。本发明可作为量子信息的产生、转换、传输和存储的元件。

Description

自激励自旋单电子电磁场效应晶体管、制备方法及应用
技术领域
本发明属于自激励自旋单电子场效应晶体管技术领域，尤其涉及一种纳米线稀磁半导体异质结自激励自旋单电子自激励电磁场效应晶体管、制备方法及应用。
背景技术
目前，纳米线半导体异质结单电子器件均是以库伦阻塞效应和单电子隧穿为基础的器件(K.K.Likharev.Correlated discrete transfer of single electrons inultrasmall tunnel juntions”.IBM J.Res.Develop.Vol.32,p.144,1989)。这种单电子器件在理论上可以使能耗达到最小，而且由于是单电子运动，其速度可以很高。但是，对单电子器件的研究长期以来都着重于单电荷的阻塞和隧穿，未考虑单电子自旋隧穿多势垒的运动过程中产生的电磁感应造成的器件效应，也未考虑单电子自旋隧穿过程其电场产生的磁场变化和相互激励规律。
目前将稀磁半导体材料应用于自旋晶体管受到广泛关注。所谓稀磁半导体是指，少量磁性离子或原子进入非磁性半导体晶格或非晶格中取代部分原晶格点原子或充填晶格间隙而形成的半导体。一般来讲自旋晶体管以自旋电子的量子霍尔效应为基础，由于电子自旋运动与其轨道耦合可产生磁性。含有少量磁性离子的半导体场效应晶体管受外加电场或半导体晶体沟道内部载流子运动不均匀而产生电场作用，激发了电子自旋的浓度梯度或差异，随电压变化产生不同的自旋电流。还有一种新物质形态的物理性质引起了广泛关注，即拓扑绝缘体(Thouless D J,Kohmoto M,Nightingale M P et al.Phys Rev.Lett.,1982,49:405)，其体内具有绝缘体特性而表面存在金属态。从理论上分析，拓扑绝缘体体内的能带结构属于典型绝缘体类型，在费米能处存在着能隙，然而拓扑绝缘体表面则存在穿越能隙的狄拉克型电子态，因而导致其表面呈现金属性。关于拓扑绝缘体的研究趋于高热度(Zhang S C,Hu J P.Science.2001,294:823)。
在单电子器件研究中，已制备出超导基单电子器件(Averin D V,Yu VNazarov.Single Electron Charging Of a Superconductor Island.Phys.Rev.Lett.,1992,69,1992-1996.)以及绝缘基电容耦合式单电子器件(Chandrasekhar V.SingleElectron Charging Effect In High Resistance In2O3-x wires.J.Low Temp.Phys.,1994,97:9-54.)，并已应用于量子计算机。H.Ohno等(H.Ohno,D.Chiba,F.Matsukura,T.Omiya,E.Abe,T.Dietl,Y.Ohno&K.Ohtani。Electric field control offerromagnetism.Nature.2000.408:944～946)实现了稀磁半导体(In,Mn)As场效应晶体管中的栅电场控制空穴诱导铁磁性。但目前只能在低温下实现自旋单电子器件的运行。宽禁带稀磁半导体(Ga,Mn)N和(Si,Mn,Fe)C因为有超过室温的居里温度和铁磁性受到关注，采用宽带稀磁半导体可制造自旋单电子晶体管。
在对单电子器件的研究中，包括稀磁半导体晶体管，只观察到所存在的低温电导和磁导振荡，尚未观察到室温出现的电磁感应现象和电磁振荡效应。在没有外加磁场情况下，纳米线场效应晶体管中，由单电子隧穿引发纳米线异质结多型碳化硅中磁性原子轨道耦合运动的电场产生微磁场的变化，激发类似于自旋霍尔效应的现象。纳米线在导电过程中，由于栅电场引起纳米线能带改变，电子自旋运动发生变化。在单电子晶体管中存在单电子隧穿振荡和库伯对振荡，表示变化的自旋单电子电场会产生相应的微磁子磁场变化，从而可产生电磁感应现象。根据楞次定律，一个变化的磁场产生一个变化的电场。一个电容和一个电感组成一个电磁振荡电路。自从19世纪麦克斯韦发现电磁感应方程式以后，电磁振荡出现了前所未有的发展。利用这一效应开发的工业、信息产品层出不穷。现在技术发展位于量子计算机的门槛之间，量子计算机的量子信息存储、交换和发送必须经过磁技术分别完成，这是一个困难。如果能在半导体中实现量子信息存储、交换和发送功能，将大大促进量子计算机的普及发展。过去的电子学着重于电荷运动，对磁性的产生拟通过自旋注入产生，但十分复杂，不能满足量子信息转换、处理和存储。量子信息转换、处理和存储的产生机理是自旋量子霍尔效应。
单电子晶体管是量子计算机的关键部件，据以往研究，只有采用超导体制备约瑟夫森结来产生量子现象，而半导体单电子晶体管不具备磁信号的产生和交换。这并非没有磁场和电场交变信号产生，而是磁效应太弱，检测精度难以达到。然而，这对于量子计算机中的量子信息存储、转换和传输是不可少的。微电子技术发展乃至量子计算机技术仍然未脱离磁场外加模式。即使最近二十年产生了自旋电子学也未脱离自选注入这样的方法，对控制磁场有着不小的阻碍。量子计算机和量子通信技术的发展亟需在器件上自生磁场，使电子元器件和晶体管产生可用或可消退的磁场，以使量子晶体管可以完成量子信号的产生、捕获、存储、传输乃至转换。如若能在晶体管的尺度内产生电磁振荡和电磁感应，这样将会使量子计算机技术和量子通信技术前跨一步。
在晶体管中自旋电子传输形成的电流一般很微弱，可能由于存在方向相反的电子自旋，使自旋电子电流相消，所以，在晶体管中流动的电流一般是电子的电荷形成的电流。更由于这一效应发生在低温下，而使量子计算机发展受到阻碍。室温下半导体场效应晶体管产生自旋电子的量子电磁感应效应是重要的一步。
发明内容
本发明的目的是提供一种室温能产生单电子自旋电流的电磁场效应晶体管及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明提供如下的技术方案：
一、电磁场效应晶体管，其特征在于：包括基板、源电极、漏电极、栅电极和纳米线有源区，源电极、漏电极和栅电极设置于基板上，纳米线有源区为源电极和漏电极之间的电流通道，所述的纳米线有源区为掺杂有磁性金属的多型碳化硅纳米线。
上述基板为SOI绝缘层。
上述栅极为背栅、侧栅或顶栅。
上述掺杂有磁性金属的多型碳化硅纳米线成分为(Si,Mey)xC1-x，x、y为原子百分比，其中，0<x<1，y<x，0<y<0.2，Me包括至少一种磁性金属元素。作为优选，Me为Mn、Co、Fe、Cr、Hf、Nd、V、Al、Ni、Pd、Y、La、Ce中的一种或多种。所述的掺杂有磁性金属的多型碳化硅纳米线中磁性金属元素呈韵律型分布。
当0<x<0.4、0<y<0.09时，所述的(Si,Mey)xC1-x为4H-SiC/6H-SiC多型碳化硅；或，当0.4<x<0.6、0<y<0.09时，所述的(Si,Mey)xC1-x为β-SiC/6H-SiC多型碳化硅；或，当x>0.6、0<y<0.20时，所述的(Si,Mey)xC1-x为β-SiC/4H-SiC多型碳化硅。
上述源电极和漏电极为钯金复合电极。
上述栅电极为钛电极。
二、上述电磁场效应晶体管的制备方法，包括步骤：
以至少一种磁性金属为催化剂，通入反应源气体和P型掺杂气体，在基板上沉淀掺杂有磁性金属的多型碳化硅纳米线，沉积过程中施加交变电磁场，并周期改变等离子体的功率密度，等离子体的放电呈韵律型，随功率密度变化，反应物成分呈周期性变化形成多型晶核生长，促使获得磁性元素呈韵律分布的多型碳化硅纳米线；
以多型碳化硅纳米线为有源区，构造源电极、漏电极或栅极。
上述栅极构造具体为：
在基板背面沉积金属膜，构造背栅；
或，在有源区一侧或两侧沉积金属线，构造侧栅；
或，在有源区上、在源电极和漏电极之间垂直多型碳化硅纳米线沉积金属线，构造顶栅。
上述反应源气体包括第一反应源气体和第二反应源气体，所述的第一反应源气体为高氢稀释三氯硅烷、高氢稀释二烷基硅氧或高氢稀释乙烯基硅烷中的至少一种，第二反应源气体为高氢稀释乙炔。
上述P型掺杂气体为高氢稀释PH3气体或高氢稀释BH3气体。
所述的第一反应源气体的流量体积为所有反应源气体的0.01～0.4，所述的第一反应源气体的流量体积为所有反应源气体和掺杂气体的0.001～0.4。
上述周期性改变等离子体的功率密度具体为：
等离子体的功率密度以1～100W/cm2·s的变化速率从0.0W/cm2增至最大值，然后再以相同的变化速率减小至0；
或，等离子体的功率密度以1～100W/cm2·s的变化速率从0W/cm2增至最大值，然后按如下方式进行周期循环：将功率密度从最大值立即降为1W/cm2，然后再以相同的变化速率将功率密度增至最大值。
三、上述电磁场场效应晶体管可应用于量子信息的产生、转换、传输和存储。
本发明晶体管基于多型碳化硅纳米线异质结构造，室温能产生单电子库伦阻塞效应和单电子隧穿效应，并在此过程中无外加磁场下，由纳米线异质结中隧穿自旋单电子与原子轨道耦合产生电场激励而导致微磁场，微磁场产生的电磁交替变化导致漏电流、磁感应强度以及电场强度随电压变化，并产生漏电流大小和方向振荡的场效应晶体管。
本发明多型碳化硅纳米线异质结可表示为(Si,Mey)xC1-x，其中，0<x<1，y<x，0<y<0.2，Me表示掺杂金属元素，可以为以下三类金属元素中的至少一种：第一类为过渡金属元素，如Mn、Ni、Co、Fe等；第二类为稀土金属元素，如Y、Ce、La、Nd、Hf和Pd等；第三类为Al、Mg、B、Ga等。这些金属元素弥散分布于碳化硅晶格的点阵上或晶格空隙中，形成均一的固相，不产生固溶体。
与现有技术相比，本发明基于纳米线半导体异质结的电磁场效应晶体管具有如下特点和有益效果：
1、室温可实现单电子库伦阻塞效应和单电子隧穿效应；同时，因为纳米线半导体异质结的多势垒结构，在实现单电子库伦阻塞和单电子隧穿效应时，单电子振荡产生变化电场，变化电场产生变化磁场，在施加源漏电压补充能量情况下，可呈现多结构的电磁振荡，产生单电子自旋电流，电流幅度为皮安级。
2、室温下在源漏电压方向的一定范围出现电阻为零的台阶现象，台阶电阻为分数量子霍尔电阻。其电阻随源漏电压增加呈现出由大到小，趋近于e2/h(25.8KΩ)，呈现分数霍尔电阻。
3、室温下，由于自旋作用，其库伦阻塞电压变小，甚至消失。
4、室温下，随栅电压的变化，源漏电压呈现周期振荡，出现小的菱形区域。
5、在栅电压在0.1V～30V范围内，随源漏电压变化，源漏电流出现大小和方向的变化，体现了自旋电流特点。产生这一效应的器件和电路中没有电感也没有外磁场。而且在纳米线晶体中为出现螺旋晶体状或可构成电感和电容的电磁振荡电路，因此，这是典型的自旋电流。分别由向上自旋变为向下自旋电流。这种电流是平滑渐变的，而非突变，反映了自旋电子出现的纠缠效应。
6、适用于量子通信、量子计算机和其它高速计算机中，可作为量子信息的产生、转换、传输和存储的元件。
附图说明
图1为实施例1制备的碳化硅纳米线的X射线衍射图谱；
图2为实施例1制备的碳化硅纳米线的拉曼光谱图；
图3为实施例1制备的碳化硅纳米线的电子显微镜图片；
图4为实施例11晶体管的结构示意图；
图5为实施例11晶体管的磁化强度随温度的变化图；
图6～8均为实施例11晶体管在不同栅电压下的漏电流与源漏偏电压的变化曲线；
图9～10为实施例11晶体管库伦阻塞效应消失后，漏电流与源漏偏电压的变化曲线；
图11为实施例11晶体管的漏电流与栅电压的变化曲线；
图12为实施例11晶体管的磁滞回归曲线。
图中，1-源电极；2-碳化硅纳米线；3-串珠状碳化硅多型纳米线；4-漏电极；5-氧化硅层；6-硅绝缘衬底；7-栅极。
具体实施方式
本发明涉及如下术语：
纳米线：直径在0.1～100nm之间，长度不同且长径比大于10的线状晶体，包括半导体、金属或绝缘体晶体。
异质结：两种不同半导体材料形成的界面。
SOI(silicon on insulator)：绝缘衬底上的硅片。
单电子晶体管：产生单电子库伦阻塞效应和单电子隧穿效应的晶体管，构造工艺与MOSFET(金氧半场效应晶体管)结构类似；其工作原理为：将输入到栅极上的电压信号变换为从源极或漏极输出的电流信号，在源极与漏极直接施加电压，则存在于沟道中的带电粒子沿着电场方向在源极和漏极之间移动，从源极或漏极输出电流信号。
单电子晶体管的I-V特性：固定栅电压，变化源漏偏电压，漏极输出电流Id随源漏偏电压Vd的变化曲线；或，固定源漏偏电压，变化栅电压，漏极输出电流Id随栅电压Vg的变化曲线。
基板：生长薄膜的衬底，可以为SOI、玻璃或金属片。
X射线粉晶衍射谱(x-ray diffraction，XRD)：用x射线衍射仪对材料进行测量得到的衍射峰组成的谱图。
Raman光谱：指利用Raman光散射效应制造的光学仪器，物质结构不同，拉曼散射的声子光谱不同，可用来鉴别物质结构和成分。
晶态：指晶体中的原子排列短程和长程都有序，其XRD谱的衍射峰明锐、轮廓清晰。
非晶态：指晶体中的原子排列长程无序。
稀磁半导体(diluted magnetic semiconductor，DMS)：少量过渡族磁性元素与非磁性半导体生成的合金，如：(Ga,Mn)N、(Cd,Mn)Te、(Zn,Mn)Se、(Si,Mey)xC1-x，其中，0<x<1，y<x，0<y<0.2，而Me可为Mn、Ni、Co、Fe、Cu、Cd等过渡金属元素、或Nd、Ce、La、Nb、Ta等稀土元素、或其它Al、Cu等金属元素；过渡族磁性元素在非磁性半导体中弥散分布于晶格原来原子的点阵上或晶格的空隙中，形成均一固相。
电磁感应：变化的电场激励产生变化的磁场，交互产生。
霍尔效应：电磁效应的一种，是美国物理学家霍尔(A.H.Hall，1855—1938)于1879年研究金属导电机制时发现的现象。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于外磁场和电流方向的两个端面间会出现电势差，该现象即霍尔效应，该电势差即霍尔电势差。霍尔效应使用右手定则判断。
量子霍尔效应：是霍尔效应的量子对应。在正常霍尔效应基础上，如果外加磁场足够强、温度足够低，材料体内的所有电子都被局域化到了分立的朗道能级上，形成一个完全绝缘的状态。然而这时，材料边界仍然可以导电，形成一些没有“背散射”的导电通道(即不受杂质散射影响的理想导体)，导致出现量子霍尔效应。量子霍尔效应一般被看作整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的统称。
量子化电导e2/h被观测到，为弹道输运(ballistic transport)这一重要概念提供了实验支持。根据德国物理学家冯·克利青的实验数据，在平台上Rh的值是乘上1/v，ν可以是正整数或正分数，h是普郎克常数。当ν为整数时，称之为整数量子霍尔效应；当ν是分数时，称之为分数量子霍尔效应。劳夫林与J·K·珍解释了其起源，两人的工作揭示了涡旋(vortex)和准粒子(quasi-particle)在凝聚态物理学中的重要性。
整数量子霍尔效应发现者德国马普研究所的物理学家冯·克利青因此获得1985年诺贝尔物理学奖。分数量子霍尔效应被崔琦、霍斯特·施特默和赫萨德(A.C.Gossard)发现，前两者因此与罗伯特·劳夫林分享1998年诺贝尔物理学奖。整数量子霍尔效应最初在高磁场下的二维电子气体中被观测到；分数量子霍尔效应通常在迁移率更高的二维电子气下才能被观测到。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，在常温下观察到量子霍尔效应。
异常霍尔效应(Anomalous Quantum Hall Effect)：1880年Edwin Hall在一个具有铁磁性的金属平板中发现，即使是在没有外加磁场的情况下(或弱外场)，也可以观测到霍尔效应。这种铁磁性材料中的霍尔效应后来被称之为异常霍尔效应。虽然异常霍尔效应与正常霍尔效应看起来非常相似，但是其物理本质却有着非常大的差别，主要是因为在没有外磁场情况下不存在着外磁场对电子的轨道效应。最近几年的研究进展认识到异常霍尔效应的出现直接与材料中的自旋-轨道耦合及电子结构的Berry相位有关。在具有自旋-轨道耦合并破坏时间反演对称性的情况下，材料的特殊电子结构会导致动量空间中非零Berry相位的出现，而该非零Berry相位的存在将会改变电子的运动方程，从而导致异常霍尔效应的出现。这是通常所说的异常霍尔效应“本征机制”。
1988年，美国物理学家霍尔丹(F.Duncan M.Haldane)提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应。这种材料体系如Cr或Fe磁性离子掺杂的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓扑绝缘体中存在着特殊的Van Vleck铁磁交换机制，能形成稳定的铁磁绝缘体，是实现量子异常霍尔效应的最佳体系(fang zhong，dai xi,zhang shoucheng et al.Science，329,61(2010))。
自旋量子霍尔效应：半导体中由于自旋电子参与形成的量子霍尔效应，被实验证实。
拓扑绝缘体：凝聚态物质中各种有序态的出现一般都伴随着某种对称性的破缺，同时伴随有局域序参数及其长程关联的出现。而在量子霍尔效应中不存在局域的序参量，对该物态的描述需要引入拓扑不变量概念，所以称之为拓扑绝缘体。对量子霍尔效应而言，该拓扑不变量就是整数的Chern-number。一个对拓扑绝缘体不太精确的定义是：
a、其体块(bulk)是绝缘体，或者说体块能谱中有能隙；
b、有无能隙的手征(chiral)边缘态，边缘态是拓扑保护(topologicallyprotected)的，即便有杂质、有相互作用，只要不关闭体块的能隙就不会影响边缘态性质；或者说，要破坏边缘态，一定要经过量子相变；
c、可采用一个拓扑不变量来刻画其性质：在拓扑绝缘体内部，电子能带结构和常规绝缘体相似，其费米能级位于导带和价带之间；在拓扑绝缘体表面存在一些特殊量子态，这些特殊量子态位于块体能带结构的带隙之中，从而允许导电。
多维交变电磁场：在PECVD(等离子体增强化学气相沉积)装置反应腔中，在等离子体产生的时空区域的三维空间内，在空间笛卡尔坐标系x轴、y轴和z轴上设置成对电磁装置，成对电磁装置距原点距离相等，成对电磁装置与原点距离为5cm～30cm，所采用的电磁装置额定功率3～300W、电压1～460V、电流频率10～100Hz，这里的成对电磁装置构成多维交变电磁场发生装置。在PECVD装置启动后，采用多维交变电磁场发生装置施加周期性交变电磁场，以对等离子体运动施加有规律的空间束缚，并实现金属催化剂在等离子体成核过程中的充分催化和掺杂。
金刚石型图：栅电压(Vg)-源漏偏电压(Vd)相互变化构成的图，源漏电压Vd作为栅电压Vg的函数呈现金刚石型变化，金刚石型的内部含少数电子。
下面首先说明本发明电磁场效应晶体管的具体结构。
(1)背栅式构造晶体管
包括基板、源电极、漏电极、栅电极和纳米线有源区，其中，基板为SOI绝缘层，纳米线有源区为源电极和漏电极之间的电流通道，所述的纳米线有源区为掺杂有磁性金属的碳化硅纳米线。源电极、漏电极和纳米线有源区设置在基板正面，基板背面硅上沉积金属膜作为栅极，并分别从源电极、漏电极和栅电极引出电极，形成三端电路。
(2)侧栅式构造晶体管
包括基板、源电极、漏电极、栅电极和纳米线有源区，其中，基板为SOI绝缘层，纳米线有源区为源电极和漏电极之间的电流通道，所述的纳米线有源区为掺杂有磁性金属的碳化硅纳米线。在纳米线有源区的一侧或两侧沉积金属线，金属线末端靠近纳米线，以该金属线为栅极条件纳米线有源区电学特征。分别从源电极、漏电极和栅电极引出电极，形成三端或四端电路。
(3)顶栅式构造晶体管
包括基板、源电极、漏电极、栅电极和纳米线有源区，其中，基板为SOI绝缘层，纳米线有源区为源电极和漏电极之间的电流通道，所述的纳米线有源区为掺杂有磁性金属的碳化硅纳米线。在纳米线有源区上，在源电极和漏电极之间垂直纳米线沉积金属纳米线，该金属纳米线与纳米线直接接触，构成肖特基接触，该金属纳米线即为栅极。分别从源电极、漏电极和栅电极引出电极，形成三端电路。
下面将结合实施例进一步说明本发明晶体管的制备工艺。
下述实施例均采用一种改进的大功率密度增强型化学气相沉积(plasma-enhanced chemical vapor deposition REVISED，PECVD)装置来进行碳化硅的气相沉积。改进处包括：1、设置了增加单位面积功率密度，以使等离子体强度变大的装置(张洪涛，徐重阳，邹雪城等.4H-SiC纳米薄膜的微结构及其光电性质研究[J].物理学报，2002，51(2)：304)；2、设置了多维交变电磁场发生装置，两者配合，共同作用于放电等离子体，以高效沉积纳米碳化硅。外设一自动调节PECVD功率密度的嵌入式控制装置。
实施例1
1、材料生长
制备多型4H-SiC/6H-SiC碳化硅纳米线。
采用电子清洗剂对SOI硅晶片进行超声振荡洗净，以SOI硅晶片为基板，采用大功率密度增强型化学气相沉积装置(PECVD装置)在SOI硅晶片上沉积碳化硅。相比非晶硅薄膜的沉积，沉积碳化硅需要强度更大的等离子体，这样有利于形成碳化硅晶核，并使非晶颗粒晶化；碳化硅不易掺杂，为充分掺杂形成磁性半导体，在沉积过程中需施交变电磁场。
PECVD装置反应腔内，以Ni、Mn、Co、Fe、Cr、Hf、Nd、V和Al的固态混合材料为催化剂，上述固态混合材料的制备方法为：按(0.1～1)：(0.1～1)：(0.1～1)：(0.1～1)：(0.1～1)：(0.1～1)：(0.1～1)：(0.1～1)：(0.1～1)摩尔比取粒径50～500nm的上述金属粉末，经混合采用压片机在1Mpa压力下压实为直径1～10cm、厚度0.5～1mm的薄片。以高氢稀释三氯硅烷(HSiCl3)和高氢稀释乙炔(C2H2)为反应源气体，同时通入高氢稀释BH3气体用作P型掺杂，混合气体体积流量应符合：QHSiCl3/(QHSiCl3+QCH2)＝0.02～0.3，QHSiCl3/(QHSiCl3+QCH2+QBH3)＝0.01～0.4，QHSiCl3、QCH2、QBH3分别为反应腔内高氢稀释三氯硅烷、高氢稀释乙炔、高氢稀释BH3的体积流量。
用机械泵配合分子泵对反应腔抽真空至2×10-4Torr，加热基板至200℃，并保持30分钟。启动PECVD装置，开始等离子体放电，同时周期性改变等离子体功率密度。周期性改变等离子体功率密度有两种方式：(1)以50W/cm2·s变化速率将功率密度从0W/cm2增至3W/cm2，再以50W/cm2·s变化速率将功率密度逐渐减小至0W/cm2，这一过程结束为一个周期；(2)以50W/cm2·s变化速率将功率密度从0W/cm2增至3W/cm2，然后按如下方式进行周期循环：将功率密度立即降为1W/cm2，再以50W/cm2·s变化速率将功率密度增至3W/cm2。沉积40分钟，结束等离子体放电，停止通入反应气体，自然冷却至室温。本实施例中，等离子体的放电呈韵律型，随功率密度变化，反应物成分呈周期性变化，形成多型晶核生长，促使4H-SiC/6H-SiC多型碳化硅纳米线的生成。
反应机理为：HSiCl3+C2H2＝SiC(s)+3HCl(g)，其中，s表示固体，g表示气体。碳化硅成核后，生成物HCl与金属催化剂反应，活化金属催化剂，又反过来促进碳化硅生长。
2、微观结构测试
采用拉曼光谱和x射线衍射分析制备的碳化硅纳米线，见图1～2，图中出现4H-SiC和6H-SiC的峰值。本实施例制备的碳化硅纳米线的高分辨率电子显微镜图片见图3，从图中可以看出4H-SiC和6H-SiC是相互嵌入生长结构，推断本实施例制备的纳米线为4H-SiC和6H-SiC两种多型交互生长的异质结纳米线。
本实施例制备的多型交互生长异质结纳米线样品1～3，其中4H-SiC和6H-SiC两种纳米线中各元素及各元素摩尔比分布见表1。等离子体的放电呈韵律型，随功率密度变化，使反应物成分呈现周期性变化，形成多型晶核生长，促使碳化硅4H和6H多型生长为韵律型纳米线。
采用电子探针微区分析本实施例制备的多型交互生长异质结纳米线样品，结果表明：异质结纳米线中4H-SiC多型晶体的Ni、Cr、Co含量较高，而6H-SiC多型晶体的Fe、Nd、Hf和Co含量较高，Co含量在两种多型晶体中含量都高。同一种磁性元素在纳米线不同多型晶体中含量不同，显示了微量元素成分的分布不同，从而形成半导体的异质结，这也可能是造成异常霍尔效应的原因。
表14H-SiC和6H-SiC两种纳米线中各元素及各元素摩尔比分布
实施例2
制备六角多型碳化硅纳米线。
以SOI硅晶片基板，采用大功率密度增强型化学气相沉积装置(PECVD装置)在SOI硅晶片上沉积碳化硅。把基板置入PECVD装置反应腔中，以磁性金属Mn和Ni的固态混合材料为催化剂，以高氢稀释三氯硅烷(HSiCl3)和高氢稀释乙炔(C2H2)为反应源气体，同时通入高氢稀释BH3气体用作P型掺杂，混合气体体积流量应符合：QHSiCl3/(QHSiCl3+QCH2)＝0.01～0.4，QHSiCl3/(QHSiCl3+QCH2+QBH3)＝0.01～0.3，QHSiCl3、QCH2、QBH3分别为反应腔内高氢稀释三氯硅烷、高氢稀释乙炔、高氢稀释BH3的体积流量。反应腔内真空度为1～10-4Torr，采用实施例1中所述的方式(1)周期性改变等离子体功率密度，其他工艺同实施例1，在基板上制备了4H-SiC/6H-SiC多型交替生长的六角多型碳化硅纳米线。
实施例3
制备立方晶格碳化硅纳米线。
以SOI硅晶片基板，采用大功率密度增强型化学气相沉积装置(PECVD装置)在SOI硅晶片上沉积碳化硅。把基板置入PECVD装置反应腔中，以磁性金属Co和Fe的固态混合材料为催化剂，以高氢稀释三氯硅烷(HSiCl3)和高氢稀释乙炔(C2H2)为反应源气体，同时通入高氢稀释PH3气体用作P型掺杂，混合气体体积流量应符合：QHSiCl3/(QHSiCl3+QCH2)＝0.01～0.4，QHSiCl3/(QHSiCl3+QCH2+QPH3)＝0.01～0.3，QHSiCl3、QCH2、QPH3分别为反应腔内高氢稀释三氯硅烷、高氢释乙炔、高氢稀释PH3的体积流量。反应腔内真空度为1～10-4Torr，采用实施例1所述的周期性改变等离子体功率密度技术调节等离子体功率密度，其他工艺同实施例1，在基板上制备了周期性生长的立方晶格多型碳化硅纳米线。
实施例4
制备多型4H-SiC/6H-SiC碳化硅纳米线。
以SOI硅晶片基板，采用大功率密度增强型化学气相沉积装置(PECVD装置)在SOI硅晶片上沉积碳化硅。把基板置入PECVD装置反应腔中，以磁性金属Pd、Y、La和Ce的固态混合材料为催化剂，以高氢稀释三氯硅烷(HSiCl3)和高氢稀释乙炔(C2H2)为反应源气体，同时通入高氢稀释BH3气体用作P型掺杂，混合气体体积流量应符合：QHSiCl3/(QHSiCl3+QCH2)＝0.01～0.4，QHSiCl3/(QHSiCl3+QCH2+QBH3)＝0.01～0.3，QHSiCl3、QCH2、QBH3分别为反应腔内高氢稀释三氯硅烷、高氢释乙炔、高氢稀释BH3的体积流量。反应腔内真空度为1～10-4Torr，其他制备工艺同实施例1，在基板上制备了的立方晶型β-SiC和六角晶型4H-SiC交替生长的多型碳化硅纳米线。
实施例5
将实施例1中的催化剂换为固态Mn催化剂，调整BH3比例，使得QHSiCl3/(QHSiCl3+QCH2+QBH3)＝0.001～0.2，其它工艺条件不变，在基板上制备4H-SiC/6H-SiC多型碳化硅纳米线，以此纳米线4H-SiC/6H-SiC多型碳化硅构造场效应晶体管。本实施例场效应晶体管显示出库伦阻塞效应后，漏电流先为正值，然后变为负值，且周期性振荡。
将周期性改变等离子体功率密度的变化速率改变为1W/cm2·s，将增长纳米线多型碳化硅的生长周期，从而增加了多型纳米线的长度。将周期性改变等离子体功率密度的变化速率改变为0.1W/cm2·s时，不会产生不同的多型碳化硅纳米线，仅能形成一种多型碳化硅纳米线，且纳米线晶体直径不同，沿晶体延长方向相互嵌合生长，基于这种多型碳化硅纳米线的晶体管存在与实施例1晶体管相似的漏电流振荡现象，但库伦阻塞效应消失，漏电流直接隧穿，漏电流幅度为pA级。在功率密度固定在2W/cm2，生长的纳米线碳化硅将只有一种多型，这种纳米线晶体由于存在大量缺陷，虽然存在漏电流振荡现象，但库伦阻塞效应消失，漏电流幅度变大，漏电流幅度为微安级。
实施例6
将实施例1中的催化剂换为Mn、Fe和Ni的固态混合物，将BH3换为高氢稀释磷化氢(PH3)，混合气体流量体积符合：QHSiCl3/(QHSiCl3+QCH2)＝0.4～0.02，QHSiCl3/(QHSiCl3+QCH2+QPH3)＝0.2～0.01，其它条件不变。因为P为施主掺杂，主要取代Si原子格点位置，造成周边原子空间构型变形加大，利于Mn、Fe和Ni掺杂并配合形成缺陷。这种混合源气体经PECVD反应，生成的纳米线碳化硅是立方碳化硅β-SiC与6H-SiC的混合多型。
将等离子体功率密度的变化速率降低至0.01～0.05W/cm2·s并在功率密度变化周期内，于20秒内突然降低外加电压至0.1V，使功率密度大幅降低，再重新加载1～4W/cm2·s的大功率密度。这样生成的纳米线碳化硅长径比较小，为1～5，其晶格类型为立方结构，整个纳米线为不同阶段的立方晶格的同一种碳化硅多型生长，致其不同方向和晶面生长碳化硅。总体上显示立方晶格周期生长，这种生长方式使形成碳化硅多型的反应变慢，晶体生长直径不匀。该纳米碳化硅多型显示P型导电类型。
实施例7
仍然采用实例6中的间歇式高功率密度淀积SiC。以Mn、Fe和Ni的固态混合材料为催化剂，PECVD腔体温度为240℃。周期性选择通入P型掺杂气体BH3：等离子体功率密度大幅下降时，停止通入P型掺杂气体；在离子功率密度上升至1.5W/cm2时，通入P型掺杂气体。混合气体的流量体积符合要求：QHSiCl3/(QHSiCl3+QCH2)＝0.01～0.3，QHSiCl3/(QHSiCl3+QCH2+QBH3)＝0.01～0.4。
本实施例生长的纳米晶碳化硅出现线和不规则颗粒状，经拉曼光谱测试，显示立方晶格和六角多型(4H-SiC)的声子谱，表明本实施例的纳米晶为这两种晶格的复合体。本实施例晶体的生长机理：功率密度降低期间，不掺杂有利于原子堆垛成核形成非晶态，再经过高功率密度掺杂气体的刻蚀，在进行4H-SiC多型自组织生长的同时，促使非晶态晶体部分向立方晶格转化，形成4H-SiC/β-SiC复合晶体的生长。因为这是一种周期性操作，因而形成了4H-SiC/β-SiC的周期结构。经高分辨率电镜照片分析，为周期性晶体互嵌生长，相互印证。该纳米碳化硅多型显示P型掺杂。
实施例8
将实施例7中的反应源气体换为高氢稀释二烷基硅氧烷与高氢稀释乙炔，其它条件不变。由于掺杂气体周期性进入和间歇式功率密度作用，生成产物为螺旋状纳米4H-SiC/β-SiC多型异质结构线，具有弱磁性。用螺旋状纳米线4H-SiC/β-SiC制造场效应晶体管，测试时螺旋状纳米线会振动，形成机械式弹性振荡与单电子隧穿效应耦合，产生强烈的电磁振荡。电流呈现方向和大小的变化，最大幅度为50pA以下。
实施例9
将实施例7中的反应源气体换为高氢稀释乙烯基硅烷与高氢稀释乙炔，其它条件不变，获得4H-SiC/β-SiC的纳米线，纳米线碳化硅上出现分叉又闭合的环。基于本实施例产物构造的自旋单电子晶体管，室温下具有稳定的电磁振荡特性。
实施例10
本实施例中采用离子注入机向碳化硅纳米线中注入磁性金属元素制备掺杂有磁性金属的多型碳化硅纳米线，多型碳化硅纳米线的4H-SiC和6H-SiC两种纳米线中各元素、各元素摩尔比和对应的离子注入条件见表2。从表2中可以，通过控制离子注入条件，可使碳化硅4H和6H多型生长为韵律型纳米线。
表2不同离子注入条件下，4H-SiC和6H-SiC纳米线中各元素摩尔比分布
实施例11
1、晶体管器件构造
基于制备的碳化硅纳米线制备晶体管。在电子显微镜下观察碳化硅纳米线分布状况，在沉积有碳化硅纳米线的基板上涂覆光刻胶，根据需要的电极构造方式刻蚀露出碳化硅纳米线的端点。本实施例中选择露出的纳米线的两端点距离50nm。把基板放进热电阻蒸发炉，用分子泵将热电阻蒸发炉抽真空至10-4Torr，加热钯和金，在热电阻蒸发炉在基板上依次沉积钯薄膜和金薄膜，形成钯-金复合金属电极。再次刻蚀露出碳化硅纳米线和非晶态碳化硅基质，再次在基板表面涂覆光刻胶，选择性进行等离子体刻蚀，刻蚀掉非晶态碳化硅基质，保留纳米线碳化硅。采用氢氟酸进一步刻蚀非晶态碳化硅基质，促使纳米线进一步变细，使其量子效应显著。
将上述处理后的含两个复合金属电极和碳化硅纳米线的基板放入热电阻蒸发炉，基板背对蒸发源，抽真空至10-4Torr，加热钛，在基板背面蒸发沉积金属钛薄膜，即构造了多势垒的基于多型碳化硅纳米线的背栅场效应晶体管，见图4。图4中1为源电极，2为碳化硅纳米线，3为串珠状碳化硅多型纳米线，由于碳化硅纳米线生长不均匀形成的串珠状异质结晶体；4为漏电极，5为氧化硅层，6为硅绝缘衬底，7为栅极。
2、晶体管器件磁学特性测试
采用振动探针式磁强计测量晶体管在不同温度下的磁化强度，见图5，居里温度Tc1和Tc2约400K和800K。
3、晶体管器件电学特性测试
采用KeishleySC4700半导体测试仪在室温下测试本发明场效应晶体管的电学特性，测试环境无任何附加外磁场。
(1)测量样品的漏电流(Id)与源漏偏电压(Vd)的变化曲线
待测样品置于暗室，测试环境温度为300K。固定栅电压Vg为1V，测量漏电流Ids和源漏偏电压Vds，漏电流Ids和源漏偏电压Vds的变化曲线见图6，从图中可以看出，先出现库伦阻塞效应，然后进行周期振荡，漏电流在结束库伦阻塞后，由负到正、再由正到负进行振荡。其库伦阻塞电压在110mV后随源漏偏电压增加，漏电流进入负值区域，即形成反向电流；随着进一步增加源漏偏电压，反向电流达到极值后(此处为20×10-12A)后开始减小，直至为0；再升至0以上，达到另一极值(此处为30×10-12A)。此过程中出现了漏电流台阶，宽度约60mV。
将栅电压Vg升至1.5V，测量样品漏电流Ids和源漏偏电压Vds的变化曲线，见图7，从图中看出库伦阻塞消失，在没有源漏偏电压情况下，漏电流在正值区域约3pA；随源漏偏电压增加，振荡方式发生变化，漏电流逐步下降，然后进入负值区域，即先正向流动，达到极值后逐渐降低并进入负值区域，变为反向电流。电流强度在正向流动时最大幅度约4.2pA，反向流动的电流最大幅度进一步减小到约2.2pA。
图7为可能的拓扑绝缘体中边缘态向超导态的相变态势，图7中值得注意的是：在漏电流位于反向时，于源漏偏电压Vds＝0.13V附近出现了零电阻平台，该零阻平台再次出现在源漏偏电压Vds＝00.5V附近。这可能是发生单电子隧穿效应所致，或者可能是在拓扑绝缘体的表面态相变为超导态。
将栅电压降Vg低到0.1V，测量样品漏电流Ids和源漏偏电压Vds的变化曲线，见图8，从图中看出，发生库伦阻塞作用，库伦阻塞后，漏电流先进入正值区域，保留时间较长，然后再进入负值区域，保留时间较短，即较长时间的先正向流动，达到一个极值后逐渐降低进入负值区域，即变为时间较短的反向电流。电流强度在正向流动时最大幅度升高到为3pA，反向流动的电流最大幅度进一步减小到4pA。图8中曲线总体类似于抽样函数y(x)＝sin(x)/x，可看到库伦阻塞电压下降，原因可能是自旋霍尔效应的电子自旋与轨道作用使载流子有效质量降低甚至消失，孤岛势垒能量降低，或者自旋电子的排斥作用降低。
在栅电压Vg为1V时，库伦阻塞效应消失后出现了电流的周期性振荡，见图9。在源漏偏电压Vds升高至0.36V时，源电流随源漏偏电压升高呈线性增长，并在源漏偏电压0.5V附近线性改变方向，变为正电流，随后同样线性增长至源电流为1pA。在栅电压Vg为1.5V时，库伦阻塞效应消失后出现了电流的周期性振荡，见图10。
无外加磁场下，固定栅电压(Vg)情况下，Id-Vd曲线呈现周期性的电流正反向振荡，这是由半导体纳米线碳化硅多型异质结中单电子从左边电子库中发生隧穿作用，隧穿电流感应纳米线半导体中磁元素原子和缺陷等中心使其中电子自旋作用加强，产生磁场，并强化了磁场，在单电子进入库伦岛上即发生库伦阻塞效应，产生对孤岛电容的充电作用，而源漏偏电压进一步增加，电子克服库伦作用，从孤岛隧穿势垒进入右边电子库，使孤岛电容放电。进一步增加源漏偏电压，隧穿作用进一步增强，漏端电流强度加大，当源漏偏电压加大到一定值时，漏电流强度达到最大值，此时因为碳化硅的多能谷间产生电子转移，使漏电流随源漏偏电压增加而减小，产生负微分电阻，在纳米线晶体中自旋电子在隧穿电流电场强化自旋电子的定向产生的磁场作用下，在多势垒的作用下，能级间不能对接，致使透射系数下降，隧穿电流降低，电流逐步减小到零，这时不会由太大的热激发作用而产生电流。由于过渡性元素磁性原子和缺陷空位产生空穴，相当于p型掺杂，发生空穴隧穿形成反向隧穿电流，并随源漏偏电压增加而增大，当达到峰值时，其碳化硅能带结构额价带存在多能谷，空穴在这些能谷中转移，空穴电流下降，进一步增加源漏偏电压，空穴电流进一步降至零，完成一次电磁转换。接着继续与上述相同的循环作用，在磁性和激发产生磁性并加强使电感应磁，磁又感应电而形成的交变电流。
(2)测量样品的漏电流(Id)与栅电压(Vg)的变化曲线。
待测样品置于暗室，测试环境温度为300K。固定源漏偏电压Vd为0.1V，测量待测样品的漏电流(Id)与栅电压(Vg)的变化曲线。漏电流有正负电流区域，即漏电流出现正向和反向流动造成周期性振荡，漏电流幅度在60pA以下。固定源漏偏电压Vd为＝0.05V，Id-Vg曲线中反向电流区域消失，漏电流Id呈周期性振荡，出现均匀的漏电流台阶，台阶宽70mV。固定源漏偏电压Vd为2V，漏电流出现正负值区域的大幅度振荡，沿Vg轴上下，幅度在100～200pA之间。当源漏偏电压Vg大于2V时，漏电流变为正值，出现周期台阶。这一现象表明，源漏偏电压升高将导致纳米线中漏电流增加，其降低也会同样导致漏电流下降。
固定源漏偏电压Vd为1V，测量待测样品的漏电流(Id)与栅电压(Vg)的变化曲线，见图11，漏电流随栅电压增加而增加，漏电流也出现由负到正、再由正到负的周期振荡，整体接近于正弦型函数叠加的曲线。
这里，测试电流运动方向发生变化，表明单电子从左边电子库隧穿进入纳米线碳化硅的多个势垒时，发生库伦阻塞效应，电流充电，激发增强了半导体纳米线的自身磁场，其中纳米线的磁场来源主要是金属元素原子替位或间隙掺杂及缺陷发育造成。
固定源漏偏电压Vd，随着栅电压从零不断增大，漏电流呈周期性振荡。源漏偏电压Vd在0.1～1V范围内，漏电流正向与反向流动依次进行，Id-Vd曲线产生周期振荡；当源漏偏电压Vd>1V时，Id-Vd曲线随栅电压增加发生非反向周期振荡。当源漏偏电压Vd<0.1V时，产生库伦阻塞效应，库伦阻塞电压值为115mV。进一步增加源漏偏电压Vg，Id-Vd发生周期振荡，漏电流电流出现与上述过程相同的正向和反向运动。
固定栅电压Vg为1V，使源漏偏电压Vd从大到小原路逐渐降低，将得到漏电流Id和源漏偏电压Vd形成的磁滞回归曲线，见图12。
磁滞回归现象产生的机理如下：
由于纳米线多型碳化硅异质结中掺杂磁性元素，并同时产生了大量空位缺陷，造成碳化硅形成特殊的磁性材料。在栅电压及源漏偏电压的作用下，当单电子隧穿时，激励产生自旋霍尔效应，形成单电子自旋霍尔电流。自旋单电子在纳米线碳化硅多势垒的隧穿过程中，在异质结多势垒界面处有电荷累积，形成电容器充电，再隧穿，其中在势垒间自旋单电子发生驻波振荡，再隧穿出势垒，相当于电容器放电过程，在不断形成由此变化的微电场激励产生微磁场，这与所施加的栅电压和源漏偏电压一起触发了整个晶体的磁场。电能转化为磁能。自旋单电子继续沿原来方向运动，强度逐渐减小。在多势垒额界面处累积电荷，微磁场强度减弱，势垒间电场增强，磁能转化为电能。此后，自旋单电子再隧穿，再累积，电流发生大小和方向的变化，即出现振荡电流。纳米线多型异质结中的多势垒间的电荷累积、隧穿造成其上的磁感应强度B、电场强度E电路中的电流发生不规则的周期振荡，是为电磁振荡。

Claims (9)

1.场效应晶体管，其特征在于：包括基板、源电极、漏电极、栅电极和纳米线有源区，源电极、漏电极和栅电极设置于基板上，纳米线有源区为源电极和漏电极之间的电流通道，所述的纳米线有源区为掺杂有磁性金属的多型碳化硅纳米线；所述的掺杂有磁性金属的多型碳化硅纳米线中磁性金属元素呈周期型分布。
2.如权利要求1所述的场效应晶体管，其特征在于：
所述的掺杂有磁性金属的多型碳化硅纳米线成分为(Si,Mey)xC1-x，x、y为原子百分比，其中，0<x<1，y<x，0<y<0.2，Me包括磁性金属元素。
3.如权利要求2所述的场效应晶体管，其特征在于：
当0<x<0.4、0<y<0.09时，所述的(Si,Mey)xC1-x为4H-SiC/6H-SiC多型碳化硅；或，当0.4<x<0.6、0<y<0.09时，所述的(Si,Mey)xC1-x为β-SiC/6H-SiC多型碳化硅；或，当x>0.6、0<y<0.20时，所述的(Si,Mey)xC1-x为β-SiC/4H-SiC多型碳化硅。
4.如权利要求1～3中任一项所述的场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括步骤：
以至少一种磁性金属为催化剂，通入反应源气体和P型掺杂气体，在基板上沉淀掺杂有磁性金属的多型碳化硅纳米线，沉积过程中施加交变电磁场，并周期性改变等离子体的功率密度，等离子体的放电呈周期型，随功率密度变化，反应物成分呈周期性变化形成多型晶核生长，促使获得磁性元素呈周期分布的多型碳化硅纳米线；
以多型碳化硅纳米线为有源区，构造源电极、漏电极或栅极。
5.如权利要求4所述的场效应晶体管的制备方法，其特征在于：
所述的栅极构造具体为：
在基板背面沉积金属膜，构造背栅；
或，在有源区一侧或两侧沉积金属线，构造侧栅；
或，在有源区上、在源电极和漏电极之间垂直多型碳化硅纳米线沉积金属线，构造顶栅。
6.如权利要求4所述的场效应晶体管的制备方法，其特征在于：
所述的反应源气体包括第一反应源气体和第二反应源气体，所述的第一反应源气体为高氢稀释三氯硅烷、高氢稀释二烷基硅氧或高氢稀释乙烯基硅烷中的至少一种，第二反应源气体为高氢稀释乙炔。
7.如权利要求4所述的场效应晶体管的制备方法，其特征在于：
所述的P型掺杂气体为高氢稀释PH3气体或高氢稀释BH3气体。
8.如权利要求4所述的场效应晶体管的制备方法，其特征在于：
所述的周期性改变等离子体的功率密度具体为：
等离子体的功率密度以1～100W/cm2·s的变化速率从0.0W/cm2增至最大值，然后再以相同的变化速率减小至0；
或，等离子体的功率密度以1～100W/cm2·s的变化速率从0W/cm2增至最大值，然后按如下方式进行周期循环：将功率密度从最大值立即降为1W/cm2，然后再以相同的变化速率将功率密度增至最大值。
9.权利要求1～3中任一项所述的场效应晶体管用作量子信息的产生、转换、传输和存储的元件的应用。
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