CN112968058B - 一种离子调控型自旋波晶体管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种离子调控型自旋波晶体管及其制备方法，属于自旋波器件技术领域。所述离子调控型自旋波晶体管包括衬底基片，形成于衬底基片之上的底电极层，形成于底电极层之上的磁性薄膜，形成于磁性薄膜之上的离子层‑顶电极层异质结，以及位于离子层‑顶电极层异质结两侧的微波天线。本发明离子调控型自旋波晶体管，磁性薄膜中的磁性原子与离子层中储存的离子，在电场的作用下发生氧化还原反应，使磁性薄膜的磁性能发生改变，进而实现自旋波传输幅度和相位的电场调控具有低功耗和长距离传输等技术优势。

Description

一种离子调控型自旋波晶体管及其制备方法
技术领域
本发明属于自旋波器件技术领域，具体涉及一种离子调控型的自旋波晶体管及其制备方法。
背景技术
随着科技的不断进步和电子信息技术的快速发展，小型化成为了电子器件的主要发展趋势，芯片上集成的晶体管数量也不断增加。由于传统电子器件中信息的传输和处理是通过对电子的操控完成的，电子移动所产生的焦耳热限制了电子器件向小型化和低功耗方向的发展。
自旋波(Spin Waves)是磁有序材料中电子自旋进动的集体传播过程，由于自旋波可以以“波”的形式在多种介质中无热耗散、低阻尼、长距离传播自旋信息，重要的是该过程不需要导电电荷参与，因此这种新机制可以从根本上突破传统半导体CMOS晶体管发热、耗电等瓶颈，极大地降低了能量损耗；并且通过利用波的干涉、衍射和非线性效应，可以极大地简化器件的设计。基于自旋波的信息传输、逻辑计算有可能成为后摩尔时代信息传输、处理的重要方式之一。因此，自旋波晶体管研究具有重要的科学意义和应用潜力。
目前，基于电场调控的自旋波器件包括衬底基片，依次生长于衬底基片之上的底电极层、磁性薄膜层，以及生长于磁性薄膜层之上的顶电极层和微波天线，其中，顶电极层位于微波天线激发端和探测端之间。基于外加磁电耦合效应，通过外加电场改变磁性材料内部交换作用强度，进而实现自旋波的调控。其中的磁性薄膜层通常采用磁滞伸缩材料或压电材料，难以实现自旋波的低损耗、长距离传输，极大的阻碍了其在未来纳米自旋波器件中的应用。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出一种低功耗、长距离传输的离子调控型自旋波晶体管及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种离子调控型自旋波晶体管，其特征在于，包括衬底基片，形成于衬底基片之上的底电极层，形成于底电极层之上的磁性薄膜，形成于磁性薄膜之上的离子层-顶电极层异质结，以及位于离子层-顶电极层异质结两侧的微波天线。其中，磁性薄膜中的磁性原子与离子层中储存的离子，在电场的作用下发生氧化还原反应，使磁性薄膜的磁性能发生改变，进而实现自旋波传输幅度和相位的电场调控。
进一步地，所述衬底基片为钆镓石榴石、蓝宝石、硅单晶、砷化镓、碳化硅、金刚石、氮化铝或氮化镓。
进一步地，所述磁性薄膜为磁性绝缘体薄膜、铁磁合金薄膜和反铁磁薄膜；所述磁性薄膜的厚度为50nm～2μm。
进一步地，所述磁性绝缘体薄膜为石榴石型铁氧体、六角铁氧体、尖晶石铁氧体薄膜；所述铁磁合金薄膜为坡莫合金(NiFe)、钴铁硼(CoFeB)、Heusler合金；所述反铁磁薄膜为氧化亚镍(NiO)、铁酸铋(BiFeO3)、铱锰(IrMn)薄膜等。
进一步地，所述离子层为纳米氧化物储氢材料、钛基合金储氢材料、镁基合金储氢材料、锂离子氧化物等；所述离子层的厚度为5nm～1μm。
进一步地，所述纳米氧化物储氢材料为WO3、Gd2O3等；所述钛基合金储氢材料为FeTi、TiFeMn等；所述镁基合金储氢材料为Mg2Ni、La2Mg17等；所述锂离子氧化物为LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4等。
进一步地，所述底电极层和顶电极层的材料为铂(Pt)、金(Au)、钽(Ta)、铜(Cu)、铝(Al)、氧化铟锡(ITO)、Cr/Au等；所述底电极和顶电极层的厚度为3nm～200nm。
进一步地，所述底电极层、顶电极层和微波天线采用磁控溅射、电子束蒸发等方法生长；所述磁性薄膜采用脉冲激光沉积、液相外延、高真空分子束外延、原子层沉积或磁控溅射等方法生长；所述离子层采用脉冲激光沉积、高真空分子束外延、磁控溅射、化学气相沉积等方法生长。
进一步地，所述离子调控型自旋波晶体管中，通过微波天线实现自旋波信号的激发和探测，微波天线的激发端作为源极(Source)激发自旋波，探测端作为漏极(Drain)接收自旋波。
进一步地，所述微波天线包括对称分布的微波天线激发端和探测端，离子层位于微波天线激发端和探测端的中间，微波天线激发端和探测端关于离子层的中轴线对称。
本发明还提供了一种离子调控型自旋波晶体管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、清洗衬底基片，在清洗后的衬底基片上生长底电极层；
步骤2、采用脉冲激光沉积、液相外延、高真空分子束外延、原子层沉积或磁控溅射等方法在步骤1得到的底电极层上生长磁性薄膜；
步骤3、采用脉冲激光沉积、高真空分子束外延、磁控溅射、化学气相沉积等方法在步骤2得到的磁性薄膜上生长离子层；
步骤4、采用微电子光刻工艺，在步骤3得到的多层薄膜结构上进行光刻和刻蚀，在多层薄膜结构上刻蚀出离子层的微纳图形；
步骤5、采用微电子光刻工艺，对步骤4得到的复合膜结构进行光刻，在复合膜结构上光刻出微波天线和顶电极的微纳图形；
步骤6、采用磁控溅射、电子束蒸发等方法在步骤5得到的微波天线和顶电极的微纳图形上生长导电电极，即可得到所述自旋波晶体管。
本发明提供的一种离子调控型自旋波晶体管，在底电极和顶电极之间施加电压，通过电压控制离子层中的离子在磁性薄膜与离子层之间的界面发生迁移，使磁性薄膜中的磁性原子与离子层中储存的离子发生氧化还原反应，通过调控施加的电压大小，控制离子层中的离子的迁移浓度，进而使得磁性薄膜的磁性能随施加的电压大小的变化而变化，实现自旋波传输幅度的调控。通过在底电极和顶电极之间施加或不施加电压，实现自旋波传输相位的调控。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的一种离子调控型自旋波晶体管，通过外加电压控制自旋波磁性层/离子层界面的离子迁移，使离子层中储存的离子与磁性薄膜中的磁性原子发生氧化还原反应，实现自旋波传输幅度和相位的电场调控。与基于磁滞伸缩材料或压电材料的电压调控的自旋波器件相比，本发明选用低阻尼的磁性薄膜材料，实现了自旋波的低损耗和长距离传输。
2、与传统的半导体CMOS晶体管相比，本发明离子调控型自旋波晶体管采用自旋波传输信息，不存在电荷流，避免了电荷流动产生的焦耳热，可以显著降低器件的功耗，对未来的自旋波逻辑器件产生了深远的技术影响。
综上，本发明提供的一种离子调控型自旋波晶体管，通过离子层和磁性薄膜间的氧化还原反应，实现了自旋波传输幅度和相位的电场调控，具有低功耗和长距离传输等技术优势。
附图说明
图1为本发明提供的一种离子调控型自旋波晶体管的结构示意图；
图2为本发明提供的一种离子调控型自旋波晶体管的制备方法流程图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例中，一种离子调控型自旋波晶体管，包括钆镓石榴石(GGG)单晶基片，以及依次形成于基片之上的底电极层铂(Pt)、磁性薄膜钇铁石榴石(YIG)，形成于磁性薄膜之上的离子层-顶电极层异质结，以及位于离子层-顶电极层异质结两侧的微波天线。其中，离子层采用纳米氧化物储氢材料三氧化钨(WO3)；顶电极和微波天线为铬/金(Cr/Au)。
本实施例离子调控型自旋波晶体管的制备方法具体为：
步骤1、将钆镓石榴石(GGG)单晶基片在体积比为1:1的过氧化氢和浓硫酸的混合溶液中，浸泡15分钟，再依次采用丙酮、酒精和去离子水超声清洗基片，超声时间为10分钟；
步骤2、采用直流磁控溅射法在步骤1得到的钆镓石榴石(GGG)单晶基片上生长20nm的Pt薄膜，作为底电极；具体过程为：将步骤1清洗后的基片放入磁控溅射腔体内，抽真空至10-5Pa以下；然后，以15SCCM的流量向真空室内通入氩气，当气压达到0.3Pa时打开磁控溅射电源，以铂靶为溅射靶材，溅射功率20W的条件下溅射60s，溅射完成后，关闭铂靶挡板及电源；
步骤3、将步骤2得到的带Pt薄膜的钆镓石榴石(GGG)单晶基片放入脉冲激光沉积腔体中，沉积200nm的YIG薄膜；具体过程为：首先，抽真空至10-6Pa以下，再以10℃/min的速率将步骤2得到的带有底电极的基片加热至750℃；然后，向腔体内通入氧气，使气压保持在1.2Pa，打开激光并设置激光频率为5Hz，激光能量为300mJ；打开基片挡板，以YIG靶作为沉积靶材进行沉积；沉积完成后，将薄膜转移至管式退火炉中，在空气气氛、800℃的温度下退火4h；
步骤4、将步骤3得到的复合膜放入脉冲激光沉积腔体中，沉积50nm的WO3薄膜；具体过程为：首先，抽真空至10-6Pa以下，再向腔体内通入氧气，使气压保持在7Pa；然后，打开激光设置激光频率10Hz，激光能量200mJ，在室温条件下以WO3靶为沉积靶材开始沉积薄膜。
步骤5、将步骤4得到的复合膜继续放在脉冲激光沉积腔体内，抽真空至腔体真空达到10-6Pa以下时，以60SCCM的流量通入氢气并在10Pa的工作气压下保持30分钟；
步骤6、采用微电子光刻工艺，对步骤5得到的GGG/Pt/YIG/WO3多层薄膜结构进行光刻和刻蚀，在GGG/Pt/YIG/WO3多层薄膜结构上刻蚀出WO3层的微纳图形；
步骤7、采用微电子光刻工艺，对步骤6得到的复合膜结构进行光刻，在复合膜结构上光刻出微波天线和顶电极的微纳图形；
步骤8、采用直流磁控溅射法在步骤7得到的微波天线和顶电极的微纳图形上生长Cr/Au导电电极，即可得到所述离子调控型自旋波晶体管；具体过程为：将步骤7光刻后的样品放入磁控溅射腔体内，抽真空至10-5Pa以下；然后，以15SCCM的流量向真空室内通入氩气，当气压达到0.3Pa时打开磁控溅射电源及铬靶挡板，以铬靶为溅射靶材，溅射功率20W的条件下溅射60s，溅射完成后，关闭铬靶挡板及电源；接下来，将基片转到金靶位上，以金靶作为溅射靶材，溅射功率30W的条件下溅射200s，溅射完毕后，关闭金靶挡板及电源。
对实施例步骤8得到的器件进行测试，当以顶电极作为正极、底电极作为负极，在顶电极和底电极之间施加正向电压时，离子层中的氢离子与磁性薄膜中的磁性原子发生反应，使磁性薄膜的磁性能减弱，从而使自旋波的幅度减小，并且幅度随电压的增大而减小；当以底电极作为正极、顶电极作为负极，在顶电极和底电极之间施加反向电压时，与磁性原子发生反应的氢离子浓度减小，磁性薄膜的磁性能增强，自旋波幅度增大。
在顶电极和底电极之间施加-5～+5V范围内的电压和不施加电压，可以实现自旋波的相位调控。
实施例2
本实施例中，一种离子调控型自旋波晶体管，包括钆镓石榴石(GGG)单晶基片，以及依次形成于基片之上的底电极层铂(Pt)、磁性薄膜铋掺杂的铥铁石榴石(TmBiIG)，形成于磁性薄膜之上的离子层-顶电极层异质结，以及位于离子层-顶电极层异质结两侧的微波天线。其中，离子层为锂离子氧化物LiCoO2；顶电极和微波天线为铬/金(Cr/Au)。
步骤1、将钆镓石榴石(GGG)单晶基片在体积比为1：1的过氧化氢和浓硫酸的混合溶液中，浸泡15分钟，再依次采用丙酮、酒精和去离子水超声清洗基片，超声时间为10分钟；
步骤2、采用直流磁控溅射法在步骤1得到的钆镓石榴石(GGG)单晶基片上生长20nm的Pt薄膜，作为底电极；具体过程为：将步骤1清洗后的基片放入磁控溅射腔体内，抽真空至10-5Pa以下；然后，以15SCCM的流量向真空室内通入氩气，当气压达到0.3Pa时打开磁控溅射电源，以铂靶为溅射靶材，溅射功率20W的条件下溅射60s，溅射完成后，关闭铂靶挡板及电源。
步骤3、将步骤2得到的带Pt薄膜的钆镓石榴石(GGG)单晶基片放入脉冲激光沉积腔体中，沉积200nm的TmBiIG薄膜；具体过程为：首先，将真空抽至10-6Pa以下，再以10℃/min的速率将步骤2得到的带有底电极层的基片加热至750℃；向腔体内通入氧气，使气压保持在1Pa；然后，打开激光并设置激光频率为5Hz，激光能量为300mJ；打开基片挡板，以TmBiIG靶作为沉积靶材进行沉积；沉积完成后，将薄膜转移至管式退火炉中，在纯氧气氛、800℃的温度下退火1h；
步骤4、将步骤3得到的复合膜放入磁控溅射腔体中，沉积50nm厚的LiCoO2薄膜；具体过程为：将步骤3得到的复合膜放入磁控溅射腔体中，当腔体真空度≤10-5Pa时，将复合膜加热到200℃；然后，以20SCCM的流量分别通入氩气和氧气，并保持工作气压为1Pa，以LiCoO2靶作为溅射靶材进行薄膜沉积；沉积结束后，使用管式退火炉在600℃的纯氧气氛下退火1h；
步骤5、采用微电子光刻工艺，对步骤4得到的GGG/Pt/TmBiIG/LiCoO2多层薄膜结构进行光刻和刻蚀，在GGG/Pt/TmBiIG/LiCoO2多层薄膜结构上刻蚀出LiCoO2层的微纳图形；
步骤6、采用微电子光刻工艺，对步骤5得到的复合膜结构进行光刻，在复合膜结构上光刻出微波天线和顶电极的微纳图形；
步骤7、采用直流磁控溅射法在步骤6得到的微波天线和顶电极的微纳图形上生长Cr/Au导电电极，即可得到所述离子调控型自旋波晶体管；具体过程为：将步骤6光刻后的样品放入磁控溅射腔体内，抽真空至10-5Pa以下；然后，以15SCCM的流量向真空室内通入氩气，当气压达到0.3Pa时打开磁控溅射电源及铬靶挡板，以铬靶为溅射靶材，溅射功率20W的条件下溅射60s，溅射完成后，关闭铬靶挡板及电源；接下来，将基片转到金靶位上，以金靶作为溅射靶材，溅射功率30W的条件下溅射200s，溅射完毕后，关闭金靶挡板及电源。
对实施例步骤7得到的器件进行测试，当以顶电极作为正极、底电极作为负极，在顶电极和底电极之间施加正向电压时，离子层中的锂离子与磁性薄膜中的磁性原子发生反应，使磁性薄膜的磁性能减弱，从而使自旋波的幅度减小，并且幅度随电压的增大而减小；当以底电极作为正极、顶电极作为负极，在顶电极和底电极之间施加反向电压时，与磁性原子发生反应的锂离子浓度减小，磁性薄膜的磁性能增强，自旋波幅度增大。
在顶电极和底电极之间施加-5～+5V范围内的电压和不施加电压，可以实现自旋波的相位调控。
应当理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例，只用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种离子调控型自旋波晶体管，其特征在于，包括衬底基片，形成于衬底基片之上的底电极层，形成于底电极层之上的磁性薄膜，形成于磁性薄膜之上的离子层-顶电极层异质结，以及位于离子层-顶电极层异质结两侧的微波天线；
其中，磁性薄膜中的磁性原子与离子层中储存的离子，在电场的作用下发生氧化还原反应，使磁性薄膜的磁性能发生改变，进而实现自旋波传输幅度和相位的电场调控。
2.根据权利要求1所述的离子调控型自旋波晶体管，其特征在于，所述磁性薄膜为磁性绝缘体薄膜、铁磁合金薄膜和反铁磁薄膜；所述磁性薄膜的厚度为50nm～2μm。
3.根据权利要求2所述的离子调控型自旋波晶体管，其特征在于，所述磁性绝缘体薄膜为石榴石型铁氧体、六角铁氧体、尖晶石铁氧体薄膜；所述铁磁合金薄膜为坡莫合金、钴铁硼、Heusler合金；所述反铁磁薄膜为氧化亚镍、铁酸铋、铱锰薄膜。
4.根据权利要求1所述的离子调控型自旋波晶体管，其特征在于，所述离子层为纳米氧化物储氢材料、钛基合金储氢材料、镁基合金储氢材料或锂离子氧化物；所述离子层的厚度为5nm～1μm。
5.根据权利要求4所述的离子调控型自旋波晶体管，其特征在于，所述纳米氧化物储氢材料为WO3或Gd2O3；所述钛基合金储氢材料为FeTi或TiFeMn；所述镁基合金储氢材料为Mg2Ni或La2Mg17；所述锂离子氧化物为LiCoO2、LiMn2O4或LiFePO4。
6.根据权利要求1所述的离子调控型自旋波晶体管，其特征在于，所述底电极层和顶电极层的材料为铂、金、钽、铜、铝、氧化铟锡或Cr/Au；所述底电极和顶电极层的厚度为3nm～200nm。
7.根据权利要求1所述的离子调控型自旋波晶体管，其特征在于，所述衬底基片为钆镓石榴石、蓝宝石、硅单晶、砷化镓、碳化硅、金刚石、氮化铝或氮化镓。
8.根据权利要求1所述的离子调控型自旋波晶体管，其特征在于，所述底电极层、顶电极层和微波天线采用磁控溅射、电子束蒸发方法生长；所述磁性薄膜采用脉冲激光沉积、液相外延、高真空分子束外延、原子层沉积或磁控溅射方法生长；所述离子层采用脉冲激光沉积、高真空分子束外延、磁控溅射、化学气相沉积方法生长。
9.一种离子调控型自旋波晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、清洗衬底基片，在清洗后的衬底基片上生长底电极层；
步骤2、在步骤1得到的底电极层上生长磁性薄膜；
步骤3、在步骤2得到的磁性薄膜上生长离子层；
步骤4、采用微电子光刻工艺，在步骤3得到的多层薄膜结构上进行光刻和刻蚀，在多层薄膜结构上刻蚀出离子层的微纳图形；
步骤5、采用微电子光刻工艺，对步骤4得到的复合膜结构进行光刻，在复合膜结构上光刻出微波天线和顶电极的微纳图形；
步骤6、采用磁控溅射、电子束蒸发等方法在步骤5得到的微波天线和顶电极的微纳图形上生长导电电极，即可得到所述自旋波晶体管。
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