CN115148895A - 无铁磁电极的全二维室温自旋场效应晶体管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
无铁磁电极的全二维室温自旋场效应晶体管及制备方法，涉及半导体场效应晶体管器件。无铁磁电极的全二维室温自旋场效应晶体管由在SiO2/Si衬底上有刻蚀为霍尔十字架的单层石墨烯沟道和两个不同材料的异质结及两端的金属电极组成，注入端的异质结部分利用REE效应将电荷流转化为自旋流，通过扩散效应扩散到探测端，探测端的异质结再利用IREE效应将自旋流转化为电荷流，在探测端金属Ti/Au电极两端探测到电压信号，同时REE效应的强度可以通过背栅电压来调节，从而改变信号的大小，实现器件的开与关。避免蒸镀过程中的界面问题；无铁磁电极的注入，避免居里温度难以达到室温的问题。可通过栅压调节其强度，实现栅压可调的目的。
Description
技术领域
本发明涉及半导体场效应晶体管器件，具体是涉及一种无铁磁电极的全二维室温自旋场效应晶体管及制备方法。
背景技术
自旋场效应晶体管是一种优异的基于电子自旋的半导体器件，可广泛应用于电子、光学等领域，具有低能耗、响应快、产热少等优点，具有广阔的应用前景，是固体电子学中的前沿研究领域之一。石墨烯材料在2004年由曼切斯特大学的安德烈海姆和康斯坦丁发现后就成为研究热点，它具备优异的电学、力学、热学方面的性能。在自旋电子学领域，石墨烯材料展现出优异的自旋输运特性，即长的有效自旋扩散长度、长的自旋寿命和大的自旋扩散系数等。石墨烯在自旋电子学领域具有的众多优点而被视为自旋电子学最理想的二维自旋传输材料。
目前，国内外的研究单位研究的自旋电子学都是基于传统的铁磁电极或者基于二维材料的铁磁电极。基于传统铁磁电极的自旋电子器件在蒸镀铁磁电极如Co或CoFeB时会严重破坏底层的Graphene结构，造成界面缺陷。这种缺陷界面的存在会导致自旋在该部分的驰豫加强，自旋扩散长度和自旋寿命减弱，导致自旋传输特性变差。而基于二维材料的铁磁电极虽然能解决界面问题，但是二维材料的居里温度往往达不到室温，在室温条件(300K)时，二维材料会由铁磁性转变为顺磁性，难以实现有效的自选注入，很难达到实际应用。因此设计一种基于无铁磁电极的室温二维自旋场效应晶体管，即利用注入端的MoS2/Graphene异质结的REE效应(Rashba-Edelstein效应)，把注入端金属Ti/Au电极注入的电荷电流转化为自旋电流，自旋流经过有效的扩散作用，到达探测端的异质结MoTe2/Graphene部分，再利用IREE效应(InverseRashba-Edelstein效应)，把纵向自旋流转化为横向的电荷流，横向电荷流经过探测端金属Ti/Au电极后可以探测为电压信号。
发明内容
本发明的目的是针对现有的自旋场效应晶体管结构存在的缺陷与不足，提供一种利用栅极电压实现室温下无铁磁电极的全二维室温自旋场效应晶体管。
所述无铁磁电极的全二维室温自旋场效应晶体管设有SiO2/Si衬底，在SiO2/Si衬底上有刻蚀成两端为霍尔十字的单层石墨烯沟道，霍尔十字的一端为注入端，另一端为探测端，注入端设有单层强SOC材料异质结部分及其两侧十字手臂处的注入端金属Ti/Au电极，探测端设有与注入端不同二维材料的多层强SOC材料异质结部分及两侧十字手臂处的探测端金属Ti/Au电极；注入端的异质结部分利用REE效应将电荷流转化为自旋流，通过扩散效应扩散到探测端，探测端的异质结再利用IREE效应将自旋流转化为电荷流，在探测端金属Ti/Au电极两端探测到电压信号，同时REE效应的强度可以通过背栅电压来调节，从而改变信号的大小，实现器件的开与关。
所述SiO2/Si衬底是在Si层上热氧化SiO2层，Si层的厚度为400～600um，热氧化的SiO2层的厚度为250～300nm。
所述单层石墨烯沟道的长度为20～30um，宽度为10～15um。
所述单层强SOC材料可采用MoS2，经胶带剥离并由PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜转移到霍尔十字架的沟道与手臂的重合位置，形成注入端异质结，以实现自旋信号的注入并可达到室温特性；单层强SOC材料的长度为7～12um，宽度为2～5um。
所述多层强SOC材料可采用MoTe2，经胶带剥离并PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜转移到霍尔十字架的沟道与手臂的重合位置，形成探测端异质结，以实现自旋信号的探测并可达到室温特性；多层强SOC材料的长度为7～12um，宽度为2～5um。
所述无铁磁电极的全二维室温自旋场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：
1)胶带法撕取单层石墨烯并转移至SiO2/Si衬底上；
2)将单层石墨烯刻蚀成霍尔十字架的形状；
3)胶带法撕取单层注入端强SOC材料；
4)胶带法撕取多层探测端强SOC材料；
5)用PDMS膜转移二维材料制备强SOC二维材料与石墨烯的异质结；
6)在霍尔十字架两端蒸镀金属电极及背栅电极，再蒸镀金属引线。
在步骤1)中，所述SiO2/Si衬底由400～600um的Si层上热氧化250～300nm的SiO2层得到；所述胶带法撕取单层石墨烯并转移至SiO2/Si衬底上的具体步骤可为：采用天然石墨烯块体，利用Scotch公司的专用石墨烯胶带，撕出单层石墨烯，然后利用把胶带按压到切好的SiO2/Si衬底上，在加热台上加热30～60s，缓慢撕去胶带，石墨烯被保留在SiO2/Si衬底上；撕出的单层石墨烯大小长度为20～30um，宽度为10～15um。
在步骤2)中，所述刻蚀包括光刻工艺、ICP刻蚀工艺和剥离技术，刻蚀得到霍尔十字架形状。
在步骤3)中，所述胶带法撕取单层注入端强SOC材料的具体步骤可为：如单层MoS2制备方法，采用天然MoS2块体，利用Scotch公司的透明胶带，撕出单层MoS2，然后利用把胶带按压到切好的PDMS块体薄膜上，静止0.5min，快速撕去胶带，单层MoS2被保留PDMS衬底上；
在步骤4)中，所述胶带法撕取多层探测端强SOC材料的具体步骤可为：如多层MoTe2制备方法，采用天然MoTe2块体，利用Scotch公司的透明胶带，撕出多层MoTe2，然后利用把胶带按压到切好的PDMS块体薄膜上，静止0.5min，快速撕去胶带，多层MoTe2被保留PDMS衬底上。
在步骤5)中，所述PDMS转移二维材料制备异质结的具体步骤可为：利用机械臂将PDMS膜根据显微镜上面的MoTe2位置图像精准的按压到霍尔十字架的探测端部分，制成探测端异质结MoTe2/Graphene。利用机械臂将PDMS膜根据显微镜上面的MoS2位置图像精准的按压到霍尔十字架的注入端部分，制成注入端异质结MoS2/Graphene。
在步骤5)中，所述PDMS膜是利用聚二甲基硅氧烷基液和固化剂按照10︰1的比例在烧杯中利用玻璃棒充分搅拌混合，将混合好的溶液置于干燥箱中抽真空1～1.5h以除去气泡，然后溶液转移到培养皿中，将培养皿放在摇床上以80～90rmp的速度旋转匀膜1h使PDMS成膜均匀。将装有PDMS的溶胶放入70～90度的真空干燥箱固化6～8h，得到PDMS膜。
在步骤6)中，所述在霍尔十字架两端蒸镀金属电极及背栅电极，再蒸镀金属引线采用电子束蒸镀，条件为：在真空度为1×10-6T～3×10-6T的条件下，通过电子束沉积的方法分别沉积Ti层和Au层，其中Ti层的沉积速率为
沉积时间为80～120s，沉积厚度为5～7nm，Au层的沉积速率为
沉积时间为400～600s，沉积厚度为50～60nm。
本发明的主要工作原理是：在注入端的霍尔十字架两侧的金属电极通电荷电流，电荷电流流经强SOC二维材料与石墨烯的异质结，如MoS2/Gaphene异质结部分，通过REE(Rashba-Edelstein效应)将电荷流转化为面内的自旋流，即自旋方向朝向x方向的自旋电流，自旋电流经过扩散作用扩散到探测端的强SOC材料与石墨烯的异质结如MoTe2/Graphene异质结部分，通过IREE(Inverse Rashba-Edelstein效应)将朝向x方向的自旋流转换为流向y方向的电荷流，电荷流流经探测端的霍尔十字架两侧的金属电极被探测为电压信号。同时研究表明，注入端的MoS2/Gaphene的SOC强度可以通过背栅来调节，即通过背栅调节REE效应的强度，从而实现通过栅压控制器件开关的目的。
与现有的自旋场效应晶体管相比，本发明具有以下突出的优点：
1)提供一种无铁磁材料的自旋晶体管器件，传统的自旋晶体管器件的注入电极通常为Co或CoFeB等铁磁电极，在蒸镀电极时容易破坏与石墨烯之间的界面，造成界面问题。本发明直接利用转移二维材料电极的方法，避免蒸镀过程中的界面问题。
2)提供一种全二维的自旋晶体管器件，传统的自旋晶体管器件通常需要蒸镀电极，为三维结构，与二维Graphene的整体兼容性较差，本发明利用2DvdW材料MoS2或者MoTe2材料更符合二维集成的要求。
3)提供一种室温材料的自旋场效应晶体管，基于二维铁磁性材料的自旋晶体管通常的二维铁磁性材料的居里温度难以达到室温，室温下其磁性会由铁磁性转变为顺磁性，难以达到实际应用。本发明利用REE效应和IREE效应，而无铁磁电极的注入，避免了居里温度难以达到室温的问题。
4)提供一种栅压可调的自旋场效应晶体管，传统的基于石墨烯的自旋场效应晶体管由于石墨烯的零带隙的原因，不能通过栅压调节，本发明是基于石墨烯与2DvdW材料的REE效应或者IREE效应，可以通过栅压调节其强度，实现栅压可调的目的。
附图说明
图1为本发明实施例的三维结构透视图示意图。
图2为本发明实施例的三维结构正视图示意图。
图3为本发明实施例的三维结构俯视图示意图。
图4为本发明实施例的三维结构左视图示意图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明由一个单层石墨烯刻蚀而成的霍尔十字架和两个不同材料的异质结及两端的金属电极组成。在注入端MoS2/Gaphene异质结部分，利用REE效应(Rashba-Edelstein效应)，把通过金属电极注入的电荷流转换为自旋流，再通过扩散效应，扩散到探测端的MoTe2/Graphene异质结部分，再利用IREE效应(Inverse Rashba-Edelstein效应)，把自旋流转换为电荷流，在探测电极两端探测到电压信号。同时，可以通过栅压调整REE效应的强弱，从而改变信号的大小，实现器件的开与关。
如图1～4所示，本发明所述一种无铁磁电极的全二维室温自旋场效应晶体管实施例设有SiO2/Si衬底1，转移到衬底上的SiO2/Si的被刻蚀成霍尔十字架的单层石墨烯沟道4，转移到霍尔十字架两端的单层强SOC材料5如二硫化钼MoS2和多层强SOC材料6如二碲化钼MoTe2，以及霍尔十字架注入端Ti/Au金属电极3和探测端Ti/Au金属电极2。此发明适用于MoS2,但不仅限于MoS2，对于所有的强SOC同样适用。
所述衬底1中，Si的厚度为400～600um，热氧化的SiO2厚度为250～300nm。
所述单层石墨烯霍尔十字架沟道4长度为20～30um，宽度为10～15um。
所述注入端单层强SOC材料5如MoS2经胶带剥离并由PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜转移到霍尔十字架的沟道与手臂的重合位置，形成注入端异质结。
所述探测端多层强SOC材料6如MoTe2经胶带剥离并由PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜转移到霍尔十字架的沟道与手臂的重合位置，形成探测端异质结。
利用电子束蒸镀的方法蒸镀霍尔十字架的注入端两侧的金属电极3和探测端两侧的金属电极2。
本发明所述一种无铁磁电极的全二维室温自旋场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：
1)胶带法撕取单层石墨烯并转移到SiO2/Si衬底上：采用天然石墨烯块体利用Scotch公司的专用石墨烯胶带，撕出单层石墨烯，然后把胶带按压到切好的SiO2/Si衬底上，在加热台上加热30～60s，缓慢撕去胶带，石墨烯被保留在SiO2/Si衬底上。撕出的单层石墨烯大小长度为20～30um，宽度为10～15um。
2)将单层石墨烯通过电子束刻蚀(EBL)刻蚀成霍尔十字架的形状：在O2等离子体刻蚀的方法，其中氧气的流速为20～25sccm，刻蚀功率为15～25W，刻蚀时间为30～60S，刻蚀得到霍尔十字架形状。
3)胶带法撕取单层注入端强SOC材料：采用天然MoS2块体，利用Scotch公司的透明胶带，撕出单层MoS2，然后利用把胶带按压到切好的PDMS块体薄膜上，静止0.5min，快速撕去胶带，单层MoS2被保留PDMS衬底上。撕出的单层MoS2长度为7～12um，宽度为2～5um。
4)胶带法撕取多探测端强SOC材料：采用天然MoTe2块体，利用Scotch公司的透明胶带，撕出多层MoTe2，然后利用把胶带按压到切好的PDMS块体薄膜上，静止0.5min，快速撕去胶带，多层MoTe2被保留PDMS衬底上。撕出的多层MoTe2长度为7～12um，宽度为2～5um。
5)PDMS转移二维材料制备异质结：利用自制的机械臂把PDMS根据显微镜上面的MoTe2位置图像精准的按压到霍尔十字架的探测端部分，制成探测端异质结MoTe2/Graphene。利用自制的机械臂把PDMS根据显微镜上面的MoS2位置图像精准的按压到霍尔十字架的注入端部分，制成注入端异质结MoS2/Graphene。
6)电子束蒸镀金属电极：在真空度为1×10-6T～3×10-6T的条件下，通过电子束沉积的方法分别沉积Ti层和Au层，其中Ti层的沉积速率为
沉积时间为80～120s，沉积厚度为5nm，Au层的沉积速率为
沉积时间为400～600s，沉积厚度为50～60nm。
在步骤3)、步骤4)和步骤5)中，所述PDMS块体薄膜制备方法如下：
(1)称取PDMS主剂与固化剂的质量比为10︰1的比例在烧杯中；
(2)利用玻璃棒搅拌5～8min使其充分混合；
(3)将烧杯放置真空干燥箱中抽真空，真空度达到1Mpa后，保持1～1.5h，排出气泡；
(4)将抽完真空的溶液转移到培养皿中；
(5)将培养皿放置到摇床上，摇速为80～100rmp，匀膜1～1.5h；
(6)将匀膜好的培养皿置于70～90℃的烘箱中固化6～8h，使其充分固化；
(7)固化完成后对PDMS进行切割，便可得到PDMS薄膜块体。
以下给出本发明的主要工作原理：
在注入端的霍尔十字架两侧的金属电极通电荷电流，电荷电流流经强SOC材料与石墨烯的异质结如MoS2/Gaphene异质结部分，通过REE(Rashba-Edelstein效应)把电荷流转化为面内的自旋流，即自旋方向朝向x方向的自旋电流，自旋电流经过扩散作用扩散到探测端的强SOC材料与石墨烯的异质结如MoTe2/Graphene异质结部分，通过IREE(InverseRashba-Edelstein效应)把朝向x方向的自旋流转换为流向y方向的电荷流，电荷流流经探测端的霍尔十字架两侧的金属电极被探测为电压信号。同时研究表明，注入端的MoS2/Gaphene的SOC强度可以通过背栅来调节，即通过背栅调节REE效应的强度，从而实现通过栅压控制器件开关的目的。
整个二维自旋器件无铁磁电极，改用二维异质结材料实现自旋信号的注入与探测并可达到室温特性。利用注入端的二维材料MoS2与Gr之间的自旋轨道耦合(SOC)反应把由两侧金属电极注入的电荷流转化为自旋流，通过扩散反应到达探测端MoT2/Graphene异质结处。利用探测端的二维材料MoTe2与Graphene之间的自旋轨道耦合(SOC)导致的REE(Rashba-Edelstein效应)效应把自旋流转化为电荷流，通过两侧的金属电极探测信号。利用栅极电压调控MoS2/Graphene之间的REE效应的强度实现场效应管的开关。探测极和注入端之间是通过自旋电流扩散实现的，而不是通过电荷电流。连接沟道使用单层石墨烯制成，实现最优的自旋传输特性。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.无铁磁电极的全二维室温自旋场效应晶体管，其特征在于设有SiO2/Si衬底，在SiO2/Si衬底上有刻蚀成两端为霍尔十字架的单层石墨烯沟道，霍尔十字架的一端为注入端，另一端为探测端，注入端设有单层强SOC材料异质结部分及其两侧十字手臂处的注入端金属Ti/Au电极，探测端设有与注入端不同二维材料的多层强SOC材料异质结部分及两侧十字手臂处的探测端金属Ti/Au电极，注入端的异质结部分利用REE效应将由注入端金属Ti/Au电极注入的电荷流转化为自旋流，通过扩散效应扩散到探测端，探测端的异质结再利用IREE效应将自旋流转化为电荷流，在探测端金属Ti/Au电极两端探测到电压信号，同时REE效应的强度通过背栅电压来调节，从而改变信号的大小，实现器件的开与关。
2.如权利要求1所述无铁磁电极的全二维室温自旋场效应晶体管，其特征在于所述SiO2/Si衬底由在Si层上热氧化SiO2层获得，Si层的厚度为400～600um，热氧化的SiO2层的厚度为250～300nm；所述单层石墨烯沟道的长度为20～30um，宽度为10～15um。
3.如权利要求1所述无铁磁电极的全二维室温自旋场效应晶体管，其特征在于所述单层强SOC材料采用MoS2，经胶带剥离并由PDMS薄膜转移到霍尔十字架的沟道与手臂的重合位置，形成注入端异质结，以实现自旋信号的注入并可达到室温特性；单层强SOC材料的长度为7～12um，宽度为2～5um；
所述多层强SOC材料采用MoTe2，经胶带剥离并PDMS薄膜转移到霍尔十字架的沟道与手臂的重合位置，形成探测端异质结，以实现自旋信号的探测并可达到室温特性；多层强SOC材料的长度为7～12um，宽度为2～5um。
4.如权利要求1无铁磁电极的全二维室温自旋场效应晶体管的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)胶带法撕取单层石墨烯并转移至SiO2/Si衬底上；
2)将单层石墨烯刻蚀成霍尔十字架的形状；
3)胶带法撕取单层注入端强SOC材料；
4)胶带法撕取多层探测端强SOC材料；
5)用PDMS膜转移二维材料制备强SOC二维材料与石墨烯的异质结；
6)在霍尔十字架两端蒸镀金属电极及背栅电极，再蒸镀金属引线。
5.如权利要求4无铁磁电极的全二维室温自旋场效应晶体管的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述SiO2/Si衬底由400～600um的Si层上热氧化250～300nm的SiO2层得到；所述胶带法撕取单层石墨烯并转移至SiO2/Si衬底上的具体步骤可为：采用天然石墨烯块体，利用Scotch公司的专用石墨烯胶带，撕出单层石墨烯，然后利用把胶带按压到切好的SiO2/Si衬底上，在加热台上加热30～60s，缓慢撕去胶带，石墨烯被保留在SiO2/Si衬底上；撕出的单层石墨烯大小长度为20～30um，宽度为10～15um。
6.如权利要求4无铁磁电极的全二维室温自旋场效应晶体管的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述刻蚀包括光刻工艺、ICP刻蚀工艺和剥离技术，刻蚀得到霍尔十字架形状。
7.如权利要求4无铁磁电极的全二维室温自旋场效应晶体管的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述胶带法撕取单层注入端强SOC材料的具体步骤可为：如单层MoS2制备方法，采用天然MoS2块体，利用Scotch公司的透明胶带，撕出单层MoS2，然后利用把胶带按压到切好的PDMS块体薄膜上，静止0.5min，快速撕去胶带，单层MoS2被保留PDMS衬底上。
8.如权利要求4无铁磁电极的全二维室温自旋场效应晶体管的制备方法，其特征在于在步骤4)中，所述胶带法撕取多层探测端强SOC材料的具体步骤可为：如多层MoTe2制备方法，采用天然MoTe2块体，利用Scotch公司的透明胶带，撕出多层MoTe2，然后利用把胶带按压到切好的PDMS块体薄膜上，静止0.5min，快速撕去胶带，多层MoTe2被保留PDMS衬底上。
9.如权利要求4无铁磁电极的全二维室温自旋场效应晶体管的制备方法，其特征在于在步骤5)中，所述用PDMS膜转移二维材料制备强SOC二维材料与石墨烯的异质结的具体步骤可为：利用机械臂将PDMS膜根据显微镜上面的MoTe2位置图像精准的按压到霍尔十字架的探测端部分，制成探测端异质结MoTe2/Graphene；利用机械臂将PDMS膜根据显微镜上面的MoS2位置图像精准的按压到霍尔十字架的注入端部分，制成注入端异质结MoS2/Graphene；
所述PDMS膜是利用聚二甲基硅氧烷基液和固化剂按照10︰1的比例在烧杯中利用玻璃棒充分搅拌混合，将混合好的溶液置于干燥箱中抽真空1～1.5h以除去气泡，然后溶液转移到培养皿中，将培养皿放在摇床上以80～90rmp的速度旋转匀膜1h使PDMS成膜均匀；将装有PDMS的溶胶放入70～90℃的真空干燥箱固化6～8h，得到PDMS膜。
10.如权利要求4无铁磁电极的全二维室温自旋场效应晶体管的制备方法，其特征在于在步骤6)中，所述在霍尔十字架两端蒸镀金属电极及背栅电极，再蒸镀金属引线采用电子束蒸镀，条件为：在真空度为1×10-6T～3×10-6T的条件下，通过电子束沉积的方法分别沉积Ti层和Au层，其中Ti层的沉积速率为
沉积时间为80～120s，沉积厚度为5～7nm，Au层的沉积速率为
沉积时间为400～600s，沉积厚度为50～60nm。
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