CN109461775A - 一种基于外延生长半金属的自旋场效应晶体管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
基于利用外延生长半金属的自旋场效应晶体管，所述半金属材料为Fe3O4合金，采用的基片为As/n‑GaAs/GaAs(100)，在基片上承载了两个大小不同的半金属材料Fe3O4薄膜层作为电极基，其中小的半金属材料的大小为:17±5×156±20μm,大的半金属材料的大小为97±10×156±20μm，两个大小不同的半金属材料的间距为2.6±1μm；在半金属材料薄膜层上制备两对电极，通过改变Fe3O4薄膜层第一对电极间的外加电压，实现n‑GaAs沟道内部的自旋反转，从而改变第二对电极C,D间的电流大小。
Description
技术领域
本发明涉及微电子器件及制备，更具体地，涉及基于利用外延生长半金属制备自旋场效应晶体管的制备过程，所述半金属材料为Fe3O4合金。
背景技术
场效应晶体管(Field Effect Transistor，FET)，基于半导体材料，利用电场效应来控制晶体管的电流，是一种利用输入电压控制输出电流的半导体器件，已成为人类信息时代的基础元件。然而为了提高单位面积上的计算性能，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，在物理原理上限制了场效应晶体管进一步集成化。此外在小尺寸下，器件的散热、功耗等问题始终无法得到有效的解决。二十世纪以来，人们发现电子除了携带电荷的属性以外，还带有自旋的内禀属性。1990年Datta和Das首次提出了利用电子自旋特性的新型电子器件——自旋场效应晶体管，其基本结构如图一所示：两边的铁磁性材料分别作为源极(S)和漏极(D)，并具有相同的极化方向(内部电子自旋取向相同)，用以注入和收集自旋极化的电子。栅极(G)电场使沟道中高速运动的电子的自旋发生进动或转动，改变源极和漏极间的导通状态。当栅极有外加电压时，沟道内部的自旋反转，由平行反转为反平行，被D极排斥而不导电，从而S-D电流受到栅电压的控制。
发明内容
本发明目的是，提出一种基于半金属材料的自旋场效应晶体管及其生长与制备。尤其是利用外延生长Fe3O4并进行微加工处理，制备出自旋场效应晶体管。
本发明技术方案：一种基于外延生长半金属的自旋场效应晶体管，所述半金属材料为Fe3O4合金，采用的基片为As/n-GaAs/GaAs(100)，在基片上承载了两个大小不同的半金属材料Fe3O4薄膜层，其中小的半金属材料的大小为:17±5×156±20μm,大的半金属材料的大小为97±10×156±20μm，两个大小不同的半金属材料的间距为2.6±1μm；在半金属材料薄膜层上制备两对电极，通过改变Fe3O4薄膜层上一对电极A,B间的外加电压，实现n-GaAs沟道内部的自旋反转，从而改变第二对电极C,D间的电流大小。
两个大小不同的半金属材料Fe3O4薄膜层，在Fe3O4制备电极，其中小Fe3O4薄膜层的大小为:17×156μm,大电极的Fe3O4薄膜层大小尺寸为97×156μm。
两个Fe3O4薄膜层(电极)间距为2.6μm。
一种涉及上述基于利用外延生长半金属制备自旋场效应晶体管的制备方法，所述半金属材料为Fe3O4合金，采用的基片为As/n-GaAs/GaAs(100)，在基片上分子束外延生长法半金属材料Fe3O4电极，进行光刻、刻蚀得到两个Fe3O4薄膜层矩形块，尺寸如上述，在两个Fe3O4薄膜层矩形块蒸镀两对电极等工艺制备出自旋场效应晶体管。通过一对电极A，B电极间的电压可以控制第二对电极即C，D电极间电流的大小。
两个Fe3O4的电极为长方形，所述的自旋场效应晶体管中，两个Fe3O4的电极间距为2.6μm。
有益效果，本发明基于利用外延生长半金属制备自旋场效应晶体管。可实现通过A,B电极间的电压控制C,D电极间电流的大小，实现低损耗。
附图说明
图1为自旋场效应晶体管示意图。
图2为本发明基于Fe3O4自旋场效应晶体管制备的示意图，是基于Fe3O4自旋场效应晶体管的微加工过程，共有4幅图：4幅图中上部图为截面图，下部图为俯视图：(a)在分子束外延生长Fe3O4，(b)电子束刻蚀得到了两个大小不同的Fe3O4电极，(c)光刻胶进行保护，随后放入H2SO4中将其余Fe3O4完全刻蚀掉，(d)生长两对金电极。
具体实施方式
使用As/n-GaAs/GaAs(100)基片来制备半金属自旋场效应晶体管。生长(承载)了两个大小不同的半金属材料薄膜层Fe3O4，在Fe3O4上制备A，B、C、D两对电极，其中小电极的薄膜层Fe3O4大小为:17±5×156±20μm,大电极薄膜层Fe3O4的大小为97±10×156±20μm，电极间距为2.6±1μm；通过改变Fe3O4电极A,B间的外加电压，实现n-GaAs沟道内部的自旋反转，从而改变C,D间的电流大小。
所述的半金属材料Fe3O4的生长方法是采用分子数外延生长法。
基片中，最顶部的As作为保护层，常温下可以起到保护基片，防止氧化的作用。而As的升华点较低，可在高温下升华脱离基片，便于生长其它的材料。基片中间的一层为厚度为500nm，掺杂浓度为3×1018cm-3的n-GaAs。基片底为500μm的本征GaAs(100)。首先，我们使用丙酮和异丙酮清洗本征GaAs基底以保证其表面的清洁度，然后将其放入分子束外延生长腔室中，当腔体中真空度降低到2×10-10毫巴以下时，在830K的温度下退火30分钟来蒸发掉基底表面作为保护层的As，以得到平整的GaAs的表面。
然后，在分子束外延生长腔体内，边生长Fe(通入有机铁源)边通入氧气来在GaAs表面生长Fe3O4。室温下，当分子束外延生长腔室中的气压低于1×10-9毫巴时，在GaAs表面生长4nm的Fe3O4，生长速率为样品生长结束后，在氧分压为5×10-5、500K的富氧环境中氧化10分钟。在生长过程中，我们使用反射式高能电子衍射仪监控材料的单晶属性以获得较好的样品。
生长过后，通过电子束刻蚀得到了两个大小不同的Fe3O4电极(的基础)，其中小电极基础的大小为:17×156μm,大电极基础的大小为97×156μm，电极间距为2.6μm。然后利用光刻在电极表面覆盖一层光刻胶进行保护，随后将样品放入H2SO4中将其余Fe3O4完全刻蚀掉，整个过程如图2所示。再Fe3O4电极的基础上生长两对金电极。本发明可以成为一种低能耗金属基逻辑电路，涉及利用外延生长半金属制备自旋场效应晶体管的过程，半金属材料为Fe3O4合金。通过改变Fe3O4电极A,B间的外加电压，实现n-GaAs沟道内部的自旋反转，从而改变C,D间的电流大小。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于利用外延生长半金属的自旋场效应晶体管，其特征是，所述半金属材料为Fe3O4合金，采用的基片为As/n-GaAs/GaAs(100)，在基片上承载了两个大小不同的半金属材料Fe3O4薄膜层作为电极基础，其中小的半金属材料的大小为:17±5×156±20μm,大的半金属材料的大小为97±10×156±20μm，两个大小不同的半金属材料的间距为2.6±1μm；在半金属材料薄膜层上制备两对电极，通过改变Fe3O4薄膜层上一对电极A,B间的外加电压，实现n-GaAs沟道内部的自旋反转，从而改变第二对电极C,D间的电流大小。
2.根据权利要求1所述的自旋场效应晶体管，其特征是，在Fe3O4制备电极，其中小Fe3O4薄膜层的大小为:17×156μm,大电极的Fe3O4薄膜层大小尺寸为97×156μm。
3.根据权利要求1所述的自旋场效应晶体管，其特征是，两个Fe3O4薄膜层(电极)间距为2.6μm。
4.根据权利要求1-3之一所述的自旋场效应晶体管的制备方法，其特征是，一种涉及基于利用外延生长半金属制备自旋场效应晶体管的制备方法，所述半金属材料为Fe3O4合金，采用的基片为As/n-GaAs/GaAs(100)，在基片上分子束外延生长法半金属材料Fe3O4电极，进行光刻、刻蚀得到两个Fe3O4薄膜层矩形块，尺寸如上述，在两个Fe3O4薄膜层矩形块蒸镀两对电极等工艺制备出自旋场效应晶体管。通过一对电极A，B电极间的电压可以控制第二对电极即C，D电极间电流的大小。
5.根据权利要求4所述的自旋场效应晶体管制备方法，其特征是，基片中间的一层为厚度为500nm，掺杂浓度为3×1018cm-3的n-GaAs，基片底为500μm的本征GaAs(100)，清洗GaAs基底，然后将其放入分子束外延生长腔室中，当腔体中真空度降低到2×10-10毫巴以下时，在830K的温度下退火30分钟来蒸发掉基底表面作为保护层的As，然后，在分子束外延生长腔体内，边生长Fe边通入氧气来在GaAs表面生长Fe3O4；室温下，当分子束外延生长腔室中的气压低于1×10-9毫巴时，在GaAs表面生长4nm的Fe3O4，生长过后，通过电子束刻蚀得到了两个大小不同的Fe3O4电极的基础，其中小电极基础的大小为:17×156μm,大电极基础的大小为97×156μm，电极间距为2.6μm；然后利用光刻在电极表面覆盖一层光刻胶进行保护，随后将样品放入H2SO4中将其余Fe3O4完全刻蚀掉；再Fe3O4电极的基上生长两对金电极。
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| GR01 | Patent grant | ||
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