CN112542510A - 基于碳纳米管的自旋场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种基于碳纳米管的自旋场效应晶体管及其制备方法，该晶体管包括：绝缘衬底、导电结构体、检测结构体、栅电极以及碳纳米管；碳纳米管、检测结构体和导电结构体均位于绝缘衬底上表面；碳纳米管贯穿导电结构体，并在接触面形成欧姆接触；导电结构体包括第一电极和第二电极，用于提供导通电路；碳纳米管用于产生自旋流；检测结构体用于检测自旋流；栅电极与绝缘衬底相连，并与导电结构体以及碳纳米管绝缘；栅电极用于提供栅极电压，以控制自旋流的状态。本发明实施例解决了如何将自旋流高效地注入到半导体中，解决了自旋流在半导体中输运、调控和检测的技术难题，实现了利用栅极电压对自旋流进行有效调控。
Description
技术领域
本发明涉及信息技术及微电子器件，尤其涉及一种基于碳纳米管的自旋场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
1925年，Julius Edgar Lilienfeld最早提出了场效应晶体管(field effecttransistor，FET)的构想和概念，但受限于当时实验条件、技术和材料的限制，没有实际的器件制备和性能展示。1960年，美国Bell实验室的江大原申请了第一个硅基MOS(metaloxide semiconductor)场效应晶体管专利，所述硅基MOS场效应晶体管是通过栅极电压产生的电场来控制硅半导体导电沟道的通断，是一种电压型控制型开关，其开与关的状态对应于信息“1”与“0”。这种器件具有尺寸可缩(高集成度)、高稳定性、高速和低能耗的优势，是现代信息技术和集成电路的核心器件。随着现代微电子技术的迅猛发展，传统的硅基MOS器件已经进入亚10nm节点，后摩尔时代的信息技术对器件提出了更高的要求，如高集成度、高稳定性、低功耗、非易失等。
1988年，随着巨磁阻现象的发现，由于传统的微电子学只是分别利用了电子的两个基本属性：信息的传输、逻辑、处理运用了电子的电荷属性；而信息的存储则是利用了电子自旋的宏观表现。能否在固体中实现信息的传输、处理、存储，从而将电子电荷和自旋有机地结合在一起利用，成为了一门新的学科——自旋电子学的目标。1990年美国的Datta和Das首次从理论上提出了一种新型的、操控电子自旋器件—自旋场效应晶体管。其基本结构与传统的硅基场效应晶体管类似，具有源极、漏极、栅极三个电极和导电沟道。但是其工作原理完全不同，它是利用铁磁源极向导电沟道注入自旋极化电流，通过自旋轨道耦合及栅极电压电场对自旋流进行调控，利用铁磁漏级检测自旋流。
但是，如何有效的实现自旋流从铁磁金属注入到半导体中，实现自旋流在半导体中的输运，以及栅压如何有效调控自旋流以及自旋流的有效检测等方面都存在难题。目前，还没有在实验上证明Datta-Das自旋晶体管能够在室温下进行正常工作。
发明内容
本发明实施例提供一种基于碳纳米管的自旋场效应晶体管及其制备方法，实现了自旋场效应晶体管在各温度下，尤其是室温下正常运行。
一方面，本发明实施例提供一种基于碳纳米管的自旋场效应晶体管，包括：绝缘衬底、碳纳米管、导电结构体、检测结构体以及栅电极；其中，碳纳米管、检测结构体和导电结构体均位于所述绝缘衬底上表面；碳纳米管穿透导电结构体，并在接触面形成欧姆接触；导电结构体包括第一电极和第二电极，用于提供导通电路；碳纳米管用于在所述导通电路中有电流通过时，产生自旋流；检测结构体与碳管相连接，用于检测碳管中的自旋流；栅电极与绝缘衬底相连接，并与导电结构体以及碳纳米管绝缘；栅电极用于提供栅极电压，以控制自旋流的通断。
进一步地，本发明实施例提供的基于碳纳米管的自旋场效应晶体管还包括一个检测结构体，其中，碳纳米管穿透该检测结构体，并在接触面形成欧姆接触，检测结构体位于绝缘衬底上，与导电结构体仅通过碳纳米管相连接；检测结构体具有第三电极，所述第三电极的电压大小与所述检测结构体所在位置处的自旋流大小相对应。
进一步地，其中，检测结构体为两个或两个以上，每个检测结构体之间仅通过碳纳米管相连接，并沿碳纳米管的轴线方向依次排布，每个检测结构体均具有至少一个电极。
进一步地，导电结构体或检测结构体的材质分别为：钼、铁、钴、镍、钛或者多晶硅；导电结构体与检测结构体的材质相同或不同。
进一步地，导电结构体或检测结构体沿碳纳米管轴线方向的投影长度为5-2000纳米；相邻两个导电结构体或检测结构体之间的沟距为5-1000纳米。
进一步地，碳纳米管为单壁管或多壁管；碳纳米管的根数为两根或两根以上，所有碳纳米管组成碳纳米管束。
另一方面，本发明实施例提供一种基于碳纳米管的自旋场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：
基于电弧放电、激光溅射、化学气相沉积或浮动化学气相沉积方法，在绝缘衬底上沉积离散的碳纳米管；在绝缘衬底上旋涂第一光刻胶层，该第一光刻胶层的厚度超过导电结构体高度的预设倍数；基于光学曝光或电子束曝光工艺，在第一光刻胶层中以碳纳米管为参照物，曝光、显影及定影所述自旋场效应晶体管的立体图形；基于磁控溅射法，在第一光刻胶层中生成导电结构体；上述导电结构体与碳纳米管产生局部固体-固体反应，并在接触面上生成金属碳化物，实现欧姆接触；基于光刻胶剥离工艺，清除第一光刻胶层中未生成导电结构体的部分，获取基于碳纳米管的自旋场效应晶体管。
进一步地，若自旋场效应晶体管包括检测结构体，且检测结构体与导电结构体的材质相同，则在基于磁控溅射法，在第一光刻胶层中生成导电结构体之后，执行以下步骤：基于磁控溅射法，在光刻胶层中生成检测结构体，该检测结构体与碳纳米管产生局部固体-固体反应，并在接触面上生成金属碳化物，实现欧姆接触；基于光刻胶剥离工艺，清除第一光刻胶层中未生成导电结构体以及检测结构体的部分，获取基于碳纳米管的自旋场效应晶体管。
进一步地，若所述自旋场效应晶体管包括检测结构体，且所述检测结构体与所述导电结构体的材质不相同，则所述自旋场效应晶体管的立体图形不包括所述检测结构体部分；在所述基于光刻胶剥离工艺，清除所述第一光刻胶层中未生成所述导电结构体以及检测结构体的部分之后，执行以下步骤：
在绝缘衬底上旋涂第二光刻胶层，第二光刻胶层的厚度超过检测结构体高度的预设倍数；基于光学曝光或电子束曝光工艺，在第二光刻胶层中以碳纳米管为参照物，曝光、显影及定影检测结构体的立体图形；基于磁控溅射法，在第二光刻胶层中生成检测结构体；结构结构体与碳纳米管产生局部固体-固体反应，并在接触面上生成金属碳化物，实现欧姆接触；基于光刻胶剥离工艺，清除第二光刻胶层中未生成检测结构体的部分，获取基于碳纳米管的自旋场效应晶体管。
进一步地，其中，磁控溅射法包括：采用2英寸金属靶，溅射功率为100-200瓦；金属原子进入溅射样品室的能量为1-10电子伏；其中导电结构体以及检测结构体的厚度为30-450纳米。
本发明实施例提供的基于碳纳米管的自旋场效应晶体管及其制备方法，通过制备构建导电结构体与纳米碳管欧姆接触的交叉结构，作为自旋流产生的核心器件，能高效地将自旋流注入到单壁碳管中，并实现了自旋场效应晶体管可以在低温、室温以及较高温度下工作，并可以通过调节导电结构体中的电流以及栅压大小实现对自旋流大小的调整。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中Datta、Das理论提议的自旋场效应晶体管的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于碳纳米管的自旋场效应晶体管的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种包含一个检测结构体的自旋场效应晶体管的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种包含两个检测结构体的自旋场效应晶体管的结构示意图；
图5为导通电压与检测结构体电极E3以及E4的电压之间的关系示意图；
图6为E3和E4的电极电压随栅极电压变化的示意图(导通电压保持为100mv)；
图7为E3和E4的电极电压之差随栅极电压变化的又一示意图；
图8为本发明实施例提供的一种基于碳纳米管的自旋场效应晶体管的制备方法流程示意图；
图9为在碳纳米管与导电结构体的接触面上利用溅射蒸镀法生成金属碳化物的流程示意图；
图10为在自旋场效应晶体管制备过程中，在碳纳米管与导电结构体的接触面上磁控溅射蒸镀5nm厚的金属钼前后的拉曼谱。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
自旋场效应晶体管(Spin-FET)，是利用电子的自旋特性、利用栅极产生的电压调控器件中自旋流的导通或切断。理论上提出的自旋场效应晶体管基本结构如图1所示，其中，参与导电的是InAlAs/InGaAs异质结形成的高迁移率二维电子结构2-DEG；铁磁电极S和铁磁电极D具有相同的极化方向，即其中电子自旋的取向相同，以注入和收集自旋极化的电子。
其中，栅极电场VG使沟道中高速运动电子的自旋发生进动，当自旋变成反平行时即被铁磁电极D排斥而不导电——铁磁电极D的排斥作用强弱决定于自旋进动的程度，铁磁电极S和铁磁电极D的电流受到栅电压的控制。
由于如下困难，室温下的自旋晶体管没有在实验上取得成功，主要是基于以下几个技术难题：其一为：由于通常欧姆接触的铁磁电极-半导体注入效率一般小于1％，因此如何将自旋电流从铁磁电极S高效率地注入半导体难以解决；。其二为：自旋极化的电子在导电沟道运动时，栅压如何使自旋进动；其三为：自旋流的难以实现有效、精确的检测。
如图2所示，本发明实施例提供一种基于碳纳米管2的自旋场效应晶体管，包括但不限于：绝缘衬底1、碳纳米管2、导电结构体3以及栅电极6；其中，碳纳米管2和导电结构体3位于绝缘衬底1上表面；碳纳米管2穿透导电结构体3，并在接触面形成欧姆接触；导电结构体3包括第一电极和第二电极，用于提供导通电路；碳纳米管2用于在导通电路中有电流通过时，产生自旋流；栅电极6与绝缘衬底1相连接，并与导电结构体3以及碳纳米管2绝缘；栅电极6用于提供栅极电压，以控制自旋流的通断以及大小。
本实施例提供的自旋场效应晶体管，其中第一电极与第二电极构成常规的电流通路，其中自旋信号可以通过栅极电压进行调控。具体地，在工作时，首先利用导电结构体3的第一电极(以下均简称：E1)与第二电极(以下均简称:E2)之间所形成的导通电路，通过在导通电路的两端施加电势差，从而在导通电路中产生导通电流。进一步地，本申请相对于现有技术的不同在于，导通电路中产生导通电流时，在该碳纳米管2中生成自旋流，实现了电流和自旋流的分离，即实现了电流在导电结构体3中E1与E2之间流动，而该电流产生的自旋流在碳纳米管2中流动。
其中，如图9所示，碳纳米管2从导电结构体3的中间贯穿，两者在贯穿处存在独特的接触面，且两者的接触方式为欧姆接触，其I-V特性是线性关系。其中，绝缘衬底1可以是表面具有一定厚度的二氧化硅绝缘层的重掺杂硅片，也可以是其他的绝缘材料衬底，其绝缘层的厚度可以设置为3-300nm。
其中，碳纳米管2与导电结构体3均位于绝缘衬底1上表面，并且碳纳米管2与导电结构体3相互之间的夹角在保证不接触的前提下，可以设置为0-180度；栅电极可以是底栅电极或顶栅电极，即栅电极可以设置于绝缘层的下表面，即底栅，也可以设置于碳管或绝缘层的上表面即顶栅。
进一步地，在本实施例提供的自旋场效应晶体管，通过栅电极6与绝缘衬底1相连接，其中栅电极6与导电结构体3以及碳纳米管2均不接触，以形成绝缘连接，则栅电极6与导电结构体3之间的绝缘衬底1构成了晶体管的栅极结构。并可以通过调节栅极电压的大小以及导电结构体3中导通电流的大小，实现对自旋流的导通以及大小的调节。本发明实施例提供的基于碳纳米管2的自旋场效应晶体管，通过制备构建导电结构体3与纳米碳管的交叉结构，作为自旋流产生的核心器件，能高效地将自旋流注入到单壁碳管中，并实现了自旋场效应晶体管可以在低温、室温以及较高温度下工作，并可以通过调节导电结构体3中的导通电流实现对自旋流大小的调整。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，如图3所示，本发明实施例提供的基于碳纳米管2的自旋场效应晶体管，还包括至少一个检测结构体4。其中，碳纳米管2贯穿该检测结构体，并在接触面形成欧姆接触，检测结构体位于绝缘衬底1上，与导电结构体3仅通过碳管相连；检测结构体具有第三电极(以下简称：E3)，E3的电压用于反映自旋流的大小。
具体地，当检测结构体4为一个时，在其一端设置有第三电极(以下均简称：E3)，此时本发明实施例提供的碳纳米管2的自旋场效应晶体管为四端器件(具有4个引出端)，其中E1和E2可以是由金属或非金属构成，两者之间形成导通电路；E3通过碳纳米管2与E1和E2相连，可以用于检测自旋流，同时可以作为自旋流即本发明实施例提供的自旋场效应晶体管的输出测量电极，其中自旋流的大小与该检测结构体所处的位置、导通电路中的导通电流的方向、碳纳米管2中自旋流的方向以及栅极电压均相关。
进一步地，检测结构体也可以设置为两个或两个以上，其中每个检测结构体之间仅通过碳管相连，并沿碳纳米管2的轴线方向依次排布，每个检测结构体均具有至少一个电极。
具体地，本发明实施例不对每个检测结构体的外部形状做具体地规定，图4为本发明实施例提供的当检测结构体为两个时的自旋场效应晶体管结构示意图，如图4所示，两个检测结构体分别设置于导电结构体3两侧，为表述方便以下均将两个结构体分别称作第一检测结构体和第二检测结构体，其中第一结构检测体4设置有第三电极E3，第二结构检测体5设置有第四电极E4。
需要说明的是，本实施仅为了表述方便展示了检测结构体的一种设置方式，但不能视为对本发明实施例保护范围的限定。其中，当检测结构体为多个时，碳纳米管2贯穿每个结构检测体，并且与每个结构检测体欧姆接触。每个结构检测体均固设与绝缘衬底1上，且相互之间不接触，并沿碳纳米管2的轴线方向依次排布。
为方便表述导通电流(电压)、自旋流、栅极电压以及检测结构体电极电压之间的关系，现以图5所述的自旋场效应晶体管为例进行说明：
图5为导通电压与检测结构体电极E3以及E4的电压之间的关系示意图，其中线30为栅极电压分别为-15V、-10V以及5V时E3的电极电压变化曲线；线40为栅极电压为-15V时，E4的电极电压变化曲线；线50为栅极电压为-10V时，E4的电极电压变化曲线；60为栅极电压为5V时，E4的电极电压变化曲线。由图5可以获知：首先，E3和E4的电极电压均与导通电压之间呈线性变化关系，即E1和E2之间的导通电压越大，E3和E4的电极电压越大。E4的电极电压不仅与导通电流相关，并且与栅极电压的大小相关。
图6为本发明实施例提供的E3和E4的电极电压随栅极电压变化曲线(导通电压保持为100mv)。其中，线70为栅极电压由-15V变化至5V时E4电极电压随栅极电压的转移曲线；线80为栅极电压由5V变化至-15V时，E4电极电压随栅极电压的转移曲线；线90为栅极电压由-15V变化至5V时E3电极电压随栅极电压的转移曲线；线100为栅极电压由5V变化至-15V时E3电极电压随栅极电压的转移曲线；图中的箭头表明了栅压的扫描方向。如图所示，E4的电极电压与栅极电压的大小相关，即能通过调节栅极电压实现对于E4电极电压的大小的调节，当栅极电压调整到一定阈值时，E4电极电压将保持稳定输出(如线70中当栅极电压升高至-5V左右时，此时E4的电极电压达到极限值80mv时，将不随栅极电压的继续升高而发生改变)。
图7为本发明实施例提供的E3和E4电极电压之差随栅极电压变化的又一示意图，如图7所示，其中线110表示当导通电压为100mv时，E3和E4的电极电压之差随栅极电压变化曲线，其中栅极电压由-15变化至5后再由5变化回-15的循环过程；线120表示当导通电压为50mv时，E3和E4的电极电压之差随栅极电压变化曲线。由图中可知，在一定范围内，当导通电压越大，E3和E4的电极电压之差相应的会提高，即导通电压大小对于E3和E4的电极电压之差大小有很明显的调整作用。
进一步地，可以由图7获知，E3和E4的电极电压之间的电压差会随着栅极电压的变化而发生变化，其差值可以为正值、负值以及0。因此，一方面，可以根据这一特性，将其反馈作用于本实施例提供的基于碳纳米管2的自旋场效应晶体管，另一方面，可进一步地本发明实施例提供的自旋场效应晶体管可以基于该特性实现与现有微电子硅工艺相兼容，具有实现集成、推广的条件、基础。
综上所述，本发明实施例提供的基于碳纳米管2的自旋场效应晶体管，由于其检测结构体输出的检测电压来源于自旋流，并且可以通过多种手段实现调控，使其具有广阔的运用空间。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中导电结构体3或检测结构体的材质分别为：钼、铁、钴、镍、钛或者多晶硅；导电结构体3与所述检测结构体的材质相同或不同。
具体地，在碳纳米管2与导电结构体3以及检测结构保证均为欧姆接触的前提下，即在保证碳纳米管2与导电结构体3以及检测结构之间能够生成特定的金属碳化物的前提下，本申请实施例不对导电结构体3或检测结构体的材质作具体地限定，可以是钼、铁、钴、镍、钛等金属；也可以是非金属，如：多晶硅等。
进一步地，导电结构体3或检测结构体沿碳纳米管2轴线方向的投影长度为5～2000纳米；相邻两个导电结构体3或检测结构体之间的沟距为5～1000纳米。
具体地，本发明实施例提供的自旋场效应晶体管，其中对于导电结构体3、检测结构体以及碳纳米管2的尺寸不作具体地限定，但随着单元器件尺寸的逐渐减小，对集成度更高、性能更稳定、尺度更小、器件性能更好的场效应晶体管提出了越来越高的要求。本发明实施例提供的基于碳纳米管2的自旋场效应晶体管相比与现有技术中的集体管更符合上述要求。具体地，可以将导电结构体3以及检测结构体的电极尺寸设置为10～100纳米，碳纳米管2所形成的碳管沟道设置为5～200纳米。
进一步地，碳纳米管2为单壁管或多壁管；若碳纳米管2的根数为两根或两根以上，所有的碳纳米管2组成碳纳米管束2。
具体地，碳纳米碳管可以是单根多壁管或单根单壁管，也可以是由几根单壁管形成的管束，其中单壁碳纳米碳管可以是金属性质的，也可以是半导体性质的。当碳纳米管2为多根时，可以将所有的碳纳米管2组成碳纳米管束2，并使碳纳米管束2按上述方式贯穿每个导电结构体3和检测结构体。
如图8所示，本发明实施例还提供一种基于碳纳米管2的自旋场效应晶体管的制备方法，包括但不限于以下步骤：
步骤S1，基于电弧放电、激光溅射、化学气相沉积或浮动化学气相沉积方法，在绝缘衬底1上沉积离散的碳纳米管2；
步骤S2，在绝缘衬底1上旋涂第一光刻胶层，该第一光刻胶层的厚度超过导电结构体3高度的预设倍数；
步骤S3，基于光学曝光或电子束曝光工艺，在第一光刻胶层中以碳纳米管2为参照物，曝光、显影及定影自旋场效应晶体管的立体图形；
步骤S4，基于磁控溅射法，在第一光刻胶层中生成导电结构体3；其中，导电结构体3与碳纳米管2产生局部固体-固体反应，并在接触面上生成金属碳化物，实现欧姆接触；
步骤S5，基于光刻胶剥离工艺，清除第一光刻胶层中未生成导电结构体3的部分，获取基于碳纳米管2的自旋场效应晶体管。
具体地，首先选择合适的绝缘衬底1，比如：选用尺寸10mm×10mm，表面具有300nm厚度的二氧化硅绝缘层的重掺杂硅片，该重掺杂硅片的电阻率0.01Ω/cm。利用丙酮超声清洗5分钟后，用氮气枪吹干。
进一步地，在步骤S1中，在基于电弧放电、激光溅射、化学气相沉积或浮动化学气相沉积方法，在绝缘衬底1上沉积离散的碳纳米管2清洗后的绝缘衬底1上。比如，利用浮动化学气相沉积法在绝缘衬底1上进行碳纳米管的制备，包括：将清洗后的绝缘衬底1放置于浮动化学气相沉积装置合适的区域后，在预设的时间内完成沉积，取出沉积获得的样品。通过扫描电镜对完成沉积后的绝缘衬底1进行观测，以确认在该衬底上所形成的离散的单根单壁碳纳米管2的密度是否符合标准(比如将密度为10微米*10微米面积上具有单根碳管设为碳纳米管2的标准密度)。然后，在绝缘衬底1上设立坐标系，并标注位于其上的碳纳米管2的坐标位置以及方向。本发明实施例不对如何在绝缘衬底1上生成碳纳米管2的方法作出具体地限定，也不对碳纳米管2的具体结构作出限定。
进一步地，在步骤S2中，在经过S1步骤获取到的绝缘衬底1上旋涂第一光刻胶，其中，光刻胶的材质可以是聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，简称：PMMA)或其他的绝缘材料，其厚度为预制成的自旋场效应晶体管中导电结构体3高度的预设倍数(比如3倍)，以保证在所述第一光刻胶层中能够完成导电结构体3的制作。
进一步地，在步骤S3中，首先设计出自旋场效应晶体管的立体图形的各个部件的参数，比如导电结构体3的形状、其位于碳纳米管2的具体位置、与碳纳米管2之间的相交关系等，并基于光学曝光或电子束曝光工艺，在步骤S2的基础上，按预设参数在第一光刻胶层中曝光、显影、定影出自旋场效应晶体管的立体图形，其中由于碳纳米管2的坐标位置在步骤S1已经确定了，因此可以将其他部件以碳纳米管2为参数进行相应的设置。
进一步地，在步骤S4中，采用磁控溅射等方法，在上一步骤的基础上，在预设的部位制备出导电结构体3；
进一步地，在步骤S4中，在已经制备的碳纳米管2与导电结构体3的接触面上，使其发生局部固体-固体反应，以生成一层金属碳化物，实现两者的欧姆接触。具体地，图9为在碳纳米管2与导电结构体3的接触面上利用溅射蒸镀法生成金属碳化物的流程示意图，其中在图9(a)中，在制备时，首先将制备导电结构体3的高能量原子溅射至碳纳米管2的表面，并首先与碳纳米管2进行接触的高能量原子与碳纳米管2的接触面上原子发生局部固体-固体反应，生成欧姆接触层，该欧姆接触层相当于将碳纳米管2的表面层进行了剖切。
进一步地，如图9(b)所示，当高能量原子与碳纳米管2的接触面上原子发生局部固体-固体反应完成后，继续将高能量原子进行溅射，但此时由于欧姆接触层的存在，高能量原子不再与碳纳米管2进行反应。按预设的图像逐步的生成该导电结构体3。
最后，在步骤S5中，基于光刻胶剥离工艺，清除多余的光刻胶获取自旋场效应晶体管。
图10为在自旋场效应晶体管制备过程中，在碳纳米管2与导电结构体3的接触面上磁控溅射蒸镀5nm厚的金属钼前后的拉曼谱。其中线1为蒸镀了5nm厚金属钼后的拉曼谱，线2为未蒸镀金属钼前的拉曼谱。如图所示，覆盖金属钼后，碳纳米管2的呼吸模(RBM)消失，同时D峰增大，G峰仍然存在，证明碳管与导电结构体3之间有局域固态反应，使碳管部分被切开(如图9b所示)，并具有欧姆接触。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，本实施例提供了一种自旋场效应晶体管的制备方法，其中，若自旋场效应晶体管包括检测结构体，且该检测结构体与导电结构体3的材质相同，则在步骤S4之后，执行以下步骤：
基于磁控溅射法，在光刻胶层中生成检测结构体，检测结构体与碳纳米管2产生局部固体-固体反应，并在接触面上生成金属碳化物，实现欧姆接触；
基于光刻胶剥离工艺，清除第一光刻胶层中未生成导电结构体3以及检测结构体的部分，获取基于碳纳米管2的自旋场效应晶体管。
相较于上一实施例，本实施例中制备的自旋场效应晶体管，是在完成生成导电结构体3的基础上再次生成检测结构体。其中，由于在同一光刻胶层完成，且采用同一材料进行磁控溅射，因此生成的检测结构体与导电结构体3的材质相同。对于其它步骤，在此不一一赘述。
进一步地，也可以步骤S3中，显影及定形述自旋场效应晶体管的立体图形时，就在该图形中设计出检测结构体，并依次完成自旋场效应晶体管的制备。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，若自旋场效应晶体管包括检测结构体，且检测结构体与所述导电结构体3的材质不相同，则自旋场效应晶体管的立体图形不包括检测结构体部分；在步骤S4之后，执行以下步骤：
在绝缘衬底1上旋涂第二光刻胶层，该第二光刻胶层的厚度超过检测结构体高度的预设倍数；
基于光学曝光或电子束曝光工艺，在所述第二光刻胶层中以所述碳纳米管2为参照物，曝光、显影及定影所述检测结构体的立体图形；
基于磁控溅射法，在所述第二光刻胶层中生成所述检测结构体；
所述结构结构体与所述碳纳米管2产生局部固体-固体反应，并在接触面上生成金属碳化物，实现欧姆接触；
基于光刻胶剥离工艺，清除所述第二光刻胶层中未生成所述检测结构体的部分，获取所述基于碳纳米管2的自旋场效应晶体管。
本实施例提供的自旋场效应晶体管的制备方法，其中存在检测结构体与导电结构体3的材质不相同的情况，因此很难在一次制作的过程中，完成整个自旋场效应晶体管的制备工作，因此，可分步制作，即在完成了除不同材质的检测结构体之外的其余部分的制备后，在按原方法步骤(采用的光刻胶以及溅射的材料不同)进行剩余部分的制作，整个过程不再一一赘述。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中在步骤S4中，所采用的磁控溅射法可以是：采用2英寸金属靶，溅射功率为100-200瓦；金属原子进入溅射样品室的能量为1-10电子伏；其中所述导电结构体3以及检测结构体的厚度为30-450纳米。
需要说明的是，上述实施例仅为一种最优方案，本实施例也可以采用其他的方法完成导电结构层以及检测结构体的制备。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于碳纳米管的自旋场效应晶体管，其特征在于，包括：绝缘衬底、碳纳米管、导电结构体、检测结构体以及栅电极；所述碳纳米管和导电结构体、检测结构体均位于所述绝缘衬底上表面；
所述碳纳米管贯穿所述导电结构体，并在接触面形成欧姆接触；
所述导电结构体包括第一电极和第二电极，用于提供导通电路；
所述碳纳米管用于在所述导通电路中有电流通过时，产生自旋流；
所述检测结构体与所述碳纳米管相连接，用于检测所述碳纳米管中的自旋流；
所述栅电极与所述绝缘衬底相连接，并与所述导电结构体以及碳纳米管绝缘；所述栅电极用于提供栅极电压，以控制所述自旋流的状态。
2.根据权利要求1所述的基于碳纳米管的自旋场效应晶体管，其特征在于，还包括一个检测结构体，所述碳纳米管贯穿所述检测结构体，并在接触面形成欧姆接触，所述检测结构体位于所述绝缘衬底上，并与所述导电结构体仅通过所述碳纳米管相连；所述检测结构体具有第三电极，所述第三电极的电压大小与自旋流相对应。
3.根据权利要求2所述的基于碳纳米管的自旋场效应晶体管，其特征在于，所述检测结构体为两个或两个以上，每个所述检测结构体之间仅通过所述碳纳米管相连接，并沿所述碳纳米管的轴线方向依次排布；每个检测结构体均具有至少一个电极。
4.根据权利要求3所述的基于碳纳米管的自旋场效应晶体管，其特征在于，所述导电结构体或检测结构体的材质分别为：钼、铁、钴、镍、钛或者多晶硅；所述导电结构体与所述检测结构体的材质相同或不同。
5.根据权利要求3所述的基于碳纳米管的自旋场效应晶体管，其特征在于，所述导电结构体或检测结构体沿所述碳纳米管轴线方向的投影长度为5-2000纳米；相邻两个导电结构体或检测结构体之间的沟距为5-1000纳米。
6.根据权利要求3所述的基于碳纳米管的自旋场效应晶体管，其特征在于，所述碳纳米管为单壁管或多壁管；若所述碳纳米管的根数为两根或两根以上，所有所述碳纳米管组成碳纳米管束。
7.一种基于碳纳米管的自旋场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括：
基于电弧放电、激光溅射、化学气相沉积或浮动化学气相沉积方法，在绝缘衬底上沉积离散的碳纳米管；
在所述绝缘衬底上旋涂第一光刻胶层，所述第一光刻胶层的厚度超过导电结构体高度的预设倍数；
基于光学曝光或电子束曝光工艺，在所述第一光刻胶层中以所述碳纳米管为参照物，曝光、显影及定影所述自旋场效应晶体管的立体图形；
基于磁控溅射法，在所述第一光刻胶层中生成所述导电结构体；所述导电结构体与所述碳纳米管产生局部固体-固体反应，并在接触面上生成金属碳化物，实现欧姆接触；
基于光刻胶剥离工艺，清除所述第一光刻胶层中未生成所述导电结构体的部分，获取所述基于碳纳米管的自旋场效应晶体管。
8.根据权利要求7所述的基于碳纳米管的自旋场效应晶体管的制备方法，其特征在于，若所述自旋场效应晶体管包括检测结构体，且所述检测结构体与所述导电结构体的材质相同，则在所述基于磁控溅射法，在所述第一光刻胶层中生成所述导电结构体之后，执行以下步骤：
基于磁控溅射法，在所述光刻胶层中生成检测结构体，所述检测结构体与所述碳纳米管产生局部固体-固体反应，并在接触面上生成金属碳化物，实现欧姆接触；
基于光刻胶剥离工艺，清除所述第一光刻胶层中未生成所述导电结构体以及检测结构体的部分，获取所述基于碳纳米管的自旋场效应晶体管。
9.根据权利要求7所述的基于碳纳米管的自旋场效应晶体管的制备方法，其特征在于，若所述自旋场效应晶体管包括检测结构体，且所述检测结构体与所述导电结构体的材质不相同，则所述自旋场效应晶体管的立体图形不包括所述检测结构体部分；在所述基于光刻胶剥离工艺，清除所述第一光刻胶层中未生成所述导电结构体以及检测结构体的部分之后，执行以下步骤：
在所述绝缘衬底上旋涂第二光刻胶层，所述第二光刻胶层的厚度超过检测结构体高度的预设倍数；
基于光学曝光或电子束曝光工艺，在所述第二光刻胶层中以所述碳纳米管为参照物，曝光、显影及定影所述检测结构体的立体图形；
基于磁控溅射法，在所述第二光刻胶层中生成所述检测结构体；所述结构结构体与所述碳纳米管产生局部固体-固体反应，并在接触面上生成金属碳化物，实现欧姆接触；
基于光刻胶剥离工艺，清除所述第二光刻胶层中未生成所述检测结构体的部分，获取所述基于碳纳米管的自旋场效应晶体管。
10.根据权利要求9所述的基于碳纳米管的自旋场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射法包括：采用2英寸金属靶，溅射功率为100-200瓦；金属原子进入溅射样品室的能量为1-10电子伏；其中所述导电结构体以及检测结构体的厚度为30-450纳米。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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