CN113345957A - 基于载流子调控的自旋波场效应晶体管及制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
一种基于载流子调控的自旋波场效应晶体管，属于量子自旋波器件领域。所述自旋波场效应晶体管包括基片，形成于基片上的底电极层和自旋波场效应结构，以及形成于自旋波场效应结构上的顶电极层和微波天线。该器件通过上下电极在垂直方向施加电压，使得半导体薄膜表面出现反型层，该反型层与磁性薄膜中自旋波传播平面密切接触，利用局部电压调整反型层中载流子浓度并对自旋波产生影响，实现对自旋波传输特性的电场调控。本发明中的自旋波器件功耗低、结构简单，与现有技术相比具有稳定可靠的随电场响应优势，半导体薄膜反型层厚度和载流子浓度随电场响应技术十分成熟，实现与现代半导体工艺技术相互兼容。
Description
技术领域
本发明属于量子自旋波器件技术领域，具体涉及一种基于载流子调控的自旋波场效应晶体管及其制备方法和应用。
背景技术
随着传统半导体加工工艺进程受到物理效应限制明显放缓，自旋波器件在信息传递过程中利用自旋波振幅、相位和频率等指标作为信息传递和处理的载体，过程无实物粒子的传输，相较传统CMOS器件拥有极低的功耗，被认为是实现“后摩尔时代”的重要途径之一。现有自旋波器件一般有两种实现方案：一种通过空间分布的磁场、电场或热场对自旋波进行调控，另一种为局部接触式场调控，其中，第一种方案所施加的外场幅值和影响范围较大，不易实现与微纳器件的兼容，因此，第二种方案是近年来研究的重点。局部接触式场调控中电场调控技术最为成熟，比如在反铁磁材料/其他磁性材料异质结以及铁磁金属/金属氧化物异质结中，存在电场可控的磁性各向异性场，由于该磁性各向异性场会对自旋波的传播产生影响，从而实现电场对自旋波的间接调控。然而，异质结界面处磁性各向异性场对制备工艺要求非常高，场强比较微弱，随电场的循环特性未知，目前难以实现对电场的较大且稳定的响应。因此，如何利用小幅值局部外场对自旋波进行局域化高效调控，是长期以来难以解决的难题。此外，由于现代硅基半导体工艺技术发展的十分成熟，工业界急需一种能够与现代半导体技术及其原理相兼容的先进自旋波器件实现方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于载流子调控的自旋波场效应晶体管及制备方法和应用。本发明所述自旋波场效应晶体管功耗低，结构简单，能与现代半导体技术及其原理相兼容。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：
一种基于载流子调控的自旋波场效应晶体管，其特征在于，所述自旋波场效应晶体管包括基片，形成于基片之上的底电极层，形成于底电极层之上的自旋波场效应结构，形成于自旋波场效应结构之上的顶电极层，微波天线；
所述自旋波场效应结构包括两种类型：第一种类型为自旋波下表面传输结构，由半导体薄膜和磁性薄膜自下而上依次堆叠得到；第二种类型为自旋波上表面传输结构，由磁性薄膜、半导体薄膜和绝缘栅自下而上依次堆叠得到；
所述微波天线位于磁性薄膜之上；
自旋波在磁性薄膜和半导体薄膜之间的界面传输。
进一步地，所述半导体薄膜可以为P型半导体或者N型半导体。
进一步地，所述半导体薄膜的材料可以为硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化铟锡(ITO)、有机半导体材料等。
进一步地，所述磁性薄膜可以为磁性绝缘体薄膜、铁磁合金薄膜或反铁磁薄膜。其中，所述磁性绝缘体薄膜可以为钇铁石榴石(YIG)、铥铁石榴石(TmBiIG)、铋掺杂的铥铁石榴石(TmBiIG)、六角铁氧体、尖晶石铁氧体薄膜；所述铁磁合金薄膜可以为坡莫合金(NiFe)、钴铁硼(CoFeB)、Heusler合金；所述反铁磁薄膜可以为氧化亚镍(NiO)、铁酸铋(BiFeO3)、铱锰(IrMn)薄膜等。
进一步地，所述绝缘栅的材料可以为二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)等。
进一步地，所述底电极层和顶电极层的材料可以为铂(Pt)、金(Au)、钽(Ta)、铜(Cu)、铝(Al)、氧化铟锡(ITO)等。
进一步地，所述微波天线由两部分组成：一部分用于激发自旋波；另一部分用于接收自旋波。两部分天线分别形成于磁性薄膜的两端、且位于顶电极的两侧。
进一步地，所述磁性薄膜的厚度为0.5nm～5μm；所述半导体薄膜的厚度为0.5nm～1μm。
优选地，所述底电极层的厚度为2～10nm，所述顶电极层的厚度为100～400nm，所述半导体薄膜的厚度为50～100nm，所述磁性薄膜的厚度为200～400nm。
进一步地，通过在顶电极层上施加偏压(底电极层接地)，使得电场强度在0.02V/nm～0.5V/nm范围内。
本发明还提供了一种基于载流子调控的自旋波场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、清洗基片，在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自旋波场效应结构；所述自旋波场效应结构为在底电极上依次生长的半导体薄膜和磁性薄膜，或者为在底电极上依次生长的磁性薄膜、半导体薄膜和绝缘栅；
步骤3、采用微电子加工工艺，在步骤2得到的多层薄膜结构上进行光刻和刻蚀，在多层薄膜结构上制作出自旋波场效应结构的微纳图形；
步骤4、在步骤3得到的复合膜结构上生长微波天线和顶电极层；
步骤5、采用微电子加工工艺，对步骤4得到的复合膜结构进行光刻和刻蚀，在复合膜结构上制作出微波天线和顶电极的微纳图形，完成器件的制备。
优选地，生长底电极层、顶电极层和微波天线的方法为磁控溅射。
优选地，生长磁性薄膜的方法为脉冲激光沉积法、液相外延或磁控溅射。
优选地，生长半导体薄膜的方法为等离子体增强化学气相沉积法、脉冲激光沉积法、磁控溅射或分子束外延。
本发明还提供了上述基于载流子调控的自旋波场效应晶体管在自旋电子学、自旋波逻辑器件、量子计算、全息存储、数据存储与逻辑运算、磁振子电路等领域中的应用。
本发明提供的一种基于载流子调控的自旋波场效应晶体管及其制备方法，该自旋波场效应晶体管通过底电极层和顶电极层在垂直方向上施加电压，使得半导体薄膜表面中出现反型层，该反型层与磁性薄膜密切接触。与此同时，由天线激发的静磁表面自旋波在磁性薄膜的上表面或下表面传播，通过外加电压调整反型层厚度和载流子(半导体薄膜反型层的电子或空穴)浓度，对自旋波的幅值和相位产生影响，实现对自旋波传输特性的调控。通过提高载流子浓度，电荷与磁振子(自旋波的量子态)散射加强，增强自旋波传输耗散，可以降低自旋波传输幅度，减小相移量；反之，减小载流子浓度，会弱化电荷与磁振子散射，减小自旋波耗散，可以增强自旋波传输幅值，增大相移量。
本发明由于采用以上技术方案，与现有技术相比，其有益效果为：
1、通过改变局部电压的大小，调整半导体薄膜反型层的厚度和其中载流子的浓度，实现自旋波的局域化调节。由于器件工作的整个过程不涉及载流子的长距离运输，因此所需功耗极低、热管理成本极小，局部电压对自旋波器件系统的其他部件几乎不产生影响，有利于自旋波器件的集成化和微纳化。
2、结合成熟的金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)原理，利用半导体薄膜中反型层载流子作为器件调控的关键因素，实现基于载流子调控的半导体场效应晶体管。该器件的内在机理和制备过程与现代半导体工艺技术相兼容，降低了替换成本，减小了商用化过程所遇阻碍，大大加速了商用化过程。
附图说明
图1为本发明提供的基于载流子调控的自旋波场效应晶体管的俯视图；
图2为实施例1所述的一种基于载流子调控的自旋波场效应晶体管的侧视图；
图3为实施例2所述的一种基于载流子调控的自旋波场效应晶体管的侧视图；
图4为本发明提供的基于载流子调控的自旋波场效应晶体管的制备工艺流程图。
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
如图2所示，为本实施例所述的基于载流子调控的自旋波场效应晶体管的侧视图。
一种基于载流子调控的自旋波场效应晶体管，包括钆镓石榴石(GGG)单晶基片，底电极层铂(Pt)，P型半导体薄膜硅(Si)，磁性薄膜钇铁石榴石(YIG)，微波天线铬/金(Cr/Au)，以及顶电极层铬/金(Cr/Au)。
在顶电极层上施加正偏压，保证电场强度大于0.02V/nm、并同时小于0.5V/nm，P型半导体薄膜上表面将出现N型反型层，调节自旋波在磁性薄膜下表面传播，自旋波则会受到反型层中载流子电子的调控。
本实施例所述的基于载流子调控的自旋波场效应晶体管的制备工艺流程如图4所示，具体如下：
步骤1、依次用丙酮、酒精和去离子水超声10分钟清洗GGG单晶基片；
步骤2、采用直流磁控溅射法，在步骤1清洗后的基片上生长一层厚度为2～10nm的Pt薄膜作为底电极层；
步骤3、采用等离子体增强化学气相沉积法，在步骤2的基础上生长一层厚度范围在50～100nm的P型半导体Si薄膜，采用离子注入法使得掺杂B元素原子数百分含量控制在0.1～1at.％内；
步骤4、采用脉冲激光沉积法，在步骤3的基础上沉积一层厚度在200～400nm内的YIG薄膜，沉积后，使用管式退火炉在空气中将薄膜在800℃的温度下退火4h；
步骤5、在步骤4的基础上，采用直流磁控溅射法沉积一层厚度在100～400nm内的Cr/Au复合薄膜，Cr与Au厚度比例为1：10，得到微波天线和顶电极层；
步骤6、对步骤5得到的复合膜结构进行光刻和刻蚀，在复合膜结构上得到微波天线和顶电极的微纳图形，用于激发自旋波的天线短路处长度在10～80μm之内。
实施例2
如图3所示，为本实施例所述的基于载流子调控的自旋波场效应晶体管的侧视图。
一种基于载流子调控的自旋波场效应晶体管，包括钆镓石榴石(GGG)单晶基片，底电极层铂(Pt)，磁性薄膜钇铁石榴石(YIG)，P型半导体薄膜硅(Si)，绝缘栅二氧化硅(SiO2)，微波天线铬/金(Cr/Au)，以及顶电极层铬/金(Cr/Au)。
在顶电极层上施加负偏压，保证电场强度大于0.02V/nm、并同时小于0.5V/nm，P型半导体薄膜下表面将出现N型反型层，调节自旋波在磁性薄膜上表面传播，自旋波则会受到反型层中载流子电子的调控。
上述基于载流子调控的自旋波场效应晶体管的制备工艺流程具体为：
步骤1、依次用丙酮、酒精和去离子水超声10分钟清洗GGG单晶基片；
步骤2、采用直流磁控溅射法，在步骤1清洗后的基片上生长一层厚度为2～10nm的Pt薄膜作为底电极层；
步骤3、采用脉冲激光沉积法，在步骤2的基础上沉积一层厚度在200～400nm内的YIG薄膜，沉积后，使用管式退火炉在空气中将薄膜在800℃的温度下退火4h；
步骤4、采用等离子体增强化学气相沉积法，在步骤3的基础上生长一层厚度范围在50～100nm的P型半导体Si薄膜，采用离子注入法使得掺杂B元素原子数百分含量控制在0.1～1at.％内；然后，在Si表面形成一层厚度为0.5～10nm SiO2的绝缘栅；
步骤5、采用微电子光刻工艺，对步骤4得到的GGG/Pt/YIG/Si/SiO2多层薄膜结构进行光刻和刻蚀，在GGG/Pt/YIG/Si/SiO2多层薄膜结构上刻蚀出Si与SiO2层的微纳图形；
步骤6、在步骤5的基础上，采用直流磁控溅射法沉积一层厚度在50～200nm内的Cr/Au复合薄膜，Cr与Au厚度比例为1：10，得到微波天线和顶电极层；
步骤7、对步骤6得到的复合膜结构进行光刻和刻蚀，在复合膜结构上得到微波天线和顶电极的微纳图形，用于激发自旋波的天线短路处长度在10～80μm之内。
实施例3
一种基于载流子调控的自旋波场效应晶体管，包括钆镓石榴石(GGG)单晶基片，底电极层铂(Pt)，N型半导体薄膜氧化铟锡(ITO)，磁性薄膜钇铁石榴石(YIG)，微波天线铬/金(Cr/Au)，以及顶电极层铬/金(Cr/Au)。
在顶电极层上施加负偏压，保证电场强度大于0.02V/nm、并同时小于0.5V/nm，N型半导体薄膜上表面将出现P型反型层，调节自旋波在磁性薄膜下表面传播，自旋波则会受到反型层中载流子空穴的调控。
实施例4
一种基于载流子调控的自旋波场效应晶体管，包括钆镓石榴石(GGG)单晶基片，底电极层铂(Pt)，磁性薄膜钇铁石榴石(YIG)，N型半导体薄膜氧化铟锡(ITO)，绝缘栅二氧化硅(SiO2)，微波天线铬/金(Cr/Au)，以及顶电极层铬/金(Cr/Au)。
在顶电极层上施加正偏压，保证电场强度大于0.02V/nm、并同时小于0.5V/nm，N型半导体薄膜下表面将出现P型反型层，调节自旋波在磁性薄膜上表面传播，自旋波则会受到反型层中载流子空穴的调控。
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 (10)
1.一种基于载流子调控的自旋波场效应晶体管，其特征在于，所述自旋波场效应晶体管包括基片，形成于基片之上的底电极层，形成于底电极层之上的自旋波场效应结构，形成于自旋波场效应结构之上的顶电极层、微波天线；
所述自旋波场效应结构为自下而上依次堆叠的半导体薄膜和磁性薄膜，或者为自下而上依次堆叠的磁性薄膜、半导体薄膜和绝缘栅；
所述微波天线位于磁性薄膜之上。
2.根据权利要求1所述的基于载流子调控的自旋波场效应晶体管，其特征在于，所述半导体薄膜为P型半导体或者N型半导体。
3.根据权利要求1所述的基于载流子调控的自旋波场效应晶体管，其特征在于，所述半导体薄膜的材料为硅、锗、砷化镓、氮化镓、碳化硅、氧化铟锡或有机半导体材料。
4.根据权利要求1所述的基于载流子调控的自旋波场效应晶体管，其特征在于，所述磁性薄膜为磁性绝缘体薄膜、铁磁合金薄膜或反铁磁薄膜。
5.根据权利要求4所述的基于载流子调控的自旋波场效应晶体管，其特征在于，所述磁性绝缘体薄膜为钇铁石榴石、铥铁石榴石、铋掺杂的铥铁石榴石、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。
6.根据权利要求1所述的基于载流子调控的自旋波场效应晶体管，其特征在于，所述绝缘栅的材料为二氧化硅、氧化铝、氮化硅。
7.根据权利要求1所述的基于载流子调控的自旋波场效应晶体管，其特征在于，所述微波天线由两部分组成，一部分用于激发自旋波，另一部分用于接收自旋波；两部分天线分别形成于磁性薄膜的两端、且位于顶电极的两侧。
8.根据权利要求1所述的基于载流子调控的自旋波场效应晶体管，其特征在于，所述底电极层的厚度为2～10nm，所述顶电极层的厚度为100～400nm，所述半导体薄膜的厚度为50～100nm，所述磁性薄膜的厚度为200～400nm。
9.根据权利要求1所述的基于载流子调控的自旋波场效应晶体管，其特征在于，通过在顶电极层上施加偏压，使电场强度在0.02V/nm～0.5V/nm范围内。
10.一种基于载流子调控的自旋波场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、清洗基片，在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自旋波场效应结构；所述自旋波场效应结构为在底电极上依次生长的半导体薄膜和磁性薄膜，或者为在底电极上依次生长的磁性薄膜、半导体薄膜和绝缘栅；
步骤3、采用微电子加工工艺，在步骤2得到的多层薄膜结构上进行光刻和刻蚀，在多层薄膜结构上制作出自旋波场效应结构的微纳图形；
步骤4、在步骤3得到的复合膜结构上生长微波天线和顶电极层；
步骤5、采用微电子加工工艺，对步骤4得到的复合膜结构进行光刻和刻蚀，在复合膜结构上制作出微波天线和顶电极的微纳图形，完成器件的制备。
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