基于磁致压电势的晶体管和磁传感器制造技术

本发明专利技术提供一种基于磁致压电势晶体管，包括基底和设置在所述基底上的铁电晶体管，其中，所述基底由磁致伸缩材料构成，所述铁电晶体管中包括压电层。本发明专利技术的晶体管主要由三种不同功能材料磁致伸缩层基底材料、压电层材料和半导体层材料复合构成，并且垂直堆垛而成。本发明专利技术的基于磁致压电势晶体管还可以作为磁传感器。当该传感器置于磁场中，磁致伸缩材料产生应变并传给铁电晶体管中的压电材料，使压电材料产生压电势；该压电势可以作为栅电压，调节半导体内载流子浓度，使半导体内电阻发生变化，如果在半导体的源漏两端加电压，会使电流在施加磁场后发生变化。

【技术实现步骤摘要】
基于磁致压电势的晶体管和磁传感器
本专利技术涉及半导体器件领域，特别涉及一种基于磁致压电势的晶体管，以及应用该晶体管的磁传感器。
技术介绍
磁传感器是一种把磁场、电流、应力应变、温度、光等外界因素引起的敏感元件磁性能变化转换成电信号，以这种方式来检测相应物理量的器件，在现代电子、国防等领域有着巨大的应用需求，一艘航天飞船需要的磁传感器可达一千多个，全球每年的磁传感器需求以数十亿计。现在商用的磁传感器按照技术进步的发展，主要分为四大类：霍尔效应(HallEffect)传感器、各向异性磁阻(AMR)传感器、巨磁阻(GMR)传感器和隧道磁阻(TMR)传感器。霍尔传感器是基于霍尔效应制备的，霍尔效应主要是材料中运动的带电粒子在磁场中受到洛仑兹力作用引起偏转。当带电粒子(电子或空穴)被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，通过测量该电场的大小从而推测磁场强度。各向异性磁阻(AMR)传感器是基于磁阻效应制备的。磁阻效应是指某些金属或半导体在遇到外加磁场时，其电阻值会随着外加磁场的大小发生变化，通过探测阻值变化进而推测待测磁场大小。巨磁阻(GMR)传感器基于巨磁阻效应制成的。巨磁阻效应发生在层状的磁性薄膜结中，主要利用磁场调节载流子与自旋有关的散射，进而调节材料电阻，这种磁阻的变化要明显大于普通的磁阻效应，而且低温下更加明显。隧道磁阻(TMR)传感器发生在磁隧穿结中，其工作原理与巨磁阻效应类似，利用磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应，比之前所发现的AMR和GMR传感器有更大的磁阻变化率。然而基于单相材料的磁传感器往往灵敏度不是很高，一般需要放大器，价格昂贵。因此，开发复合材料集成的磁传感器有着重要意义，它可起到与现有磁传感器互补的作用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种采用磁致伸缩材料作为基底在磁场作用下为铁电晶体管的压电层提供压电势的晶体管和磁传感器。为了实现上述目的，本专利技术提供一种基于磁致压电势晶体管，包括基底和设置在所述基底上的铁电晶体管，其中，所述基底由磁致伸缩材料构成；所述铁电晶体管中包括压电层。所述铁电晶体管包括层叠设置的下列各层：设置在所述基底上的下电极层、压电层、上电极层、绝缘层和半导体层，以及设置在所述半导体层上的源极和漏极。所述铁电晶体管包括层叠设置的下列各层：设置在所述基底上的下电极层、压电层、绝缘层和半导体层，以及设置在所述半导体层上的源极漏极。所述铁电晶体管包括层叠设置的下列各层：设置在所述基底上的下电极层、压电层和半导体层，以及设置在所述半导体层上的源极和漏极。所述半导体层的材料为氮化镓或硅的薄膜或块体；或者，所述半导体层的材料为单层分子层二维半导体材料，或者少于100层分子层的二维半导体材料。所述二维半导体材料包括二硫化钼、二硒化钨或石墨烯。所述压电层的材料为石英、锆钛酸铅、钛酸钡或铌镁酸铅。所述基底的材料是铽镝铁(Terfenol-D)、镍膜或金属玻璃。相应的，本专利技术还提供一种磁传感器，包括上述任一项中所述的基于磁致压电势晶体管。通过上述技术方案，本专利技术的有益效果是：本专利技术了的基于磁致压电势晶体管和磁传感器，由三种不同功能材料磁致伸缩层基底材料、压电层材料和半导体层材料复合构成，并且垂直堆垛而成。当该传感器置于磁场中，磁致伸缩材料产生应变；该应变会传给压电材料，使压电材料产生压电势；这个压电势可以作为栅电压，调节半导体内载流子浓度，使半导体内电阻发生变化，如果在半导体的源漏两端加电压，会使电流在施加磁场后发生变化。基于磁致压电势晶体管可以和现有半导体工艺结合，便于大规模生产，很好地解决了现有的磁传感器的制作工艺复杂、需外加放大器、温度稳定相差、探测范围小等技术难题。这种基于磁致压电势晶体管可以用作磁传感器、磁开关等领域，作为新型传感器具有制备简单，可重复强，可大规模生产，成本低廉，灵敏度高等优点。因此，这种基于磁致压电势晶体管的磁传感器在电子、航天和军工等领域可能有重要应用。附图说明附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1为本专利技术基于磁致压电势晶体管的结构示意图；图2为本专利技术基于磁致压电势晶体管中铁电晶体管的一种结构示意图；图3和图4为基于磁致压电势晶体管的工作原理示意图；图5和图6为本专利技术基于磁致压电势晶体管中铁电晶体管的另外两种结构示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。在本专利技术中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”是指示图中的方向。本专利技术提供的基于磁致压电势晶体管，典型结构参见图1，包括基底1和设置在基底1上的铁电晶体管2，其中，基底1由磁致伸缩材料构成。铁电晶体管2中包括压电层，在磁场作用下磁致伸缩的基底产生应变，使压电层产生压电势，调节铁电晶体管的源漏电流。铁电晶体管的结构可以有多种，图2是一种铁电晶体管的具体结构，包括层叠设置的下列各层：设置在基底1上的下电极层211、压电层212、上电极层213、绝缘层214和半导体层215，以及设置在半导体层上的源极216和漏极217。基底1的磁致伸缩材料可以是铽镝铁(Terfenol-D)、镍膜或金属玻璃等，优选采用Terfenol-D作为基底。压电层212的材料为压电材料，可以是石英、锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡或铌镁酸铅(PMNPT)等，优选PMNPT等铁电材料。上电极层213和下电极层211是压电材料的上下电极，在压电层212材料的上下端，用来施加极化电压极化压电层212。压电层212的厚度可以控制在200-300纳米,实际厚度也不局限于此。上电极层213和下电极层211可以是导电金属材料，例如金、银等导体薄膜材料。绝缘层214采用绝缘材料，用来做铁电晶体管的绝缘层，可以是二氧化硅、氧化铪、三氧化二铝等，优选采用二氧化硅、氧化铪等。绝缘层214的厚度可以在10-100纳米。源极216和漏极217是晶体管的源漏电极，优选铬(10纳米左右)/金(50纳米左右)。半导体层215采用半导体材料，可以是薄膜材料或者块体半导体材料，例如可以是氮化镓(GaN)氮化镓或硅的薄膜或块体、二维半导体薄片如二硫化钼(MoS2)、二硒化钨(WSe2)等，也可以是二维石墨烯薄片，优选二维二硫化钼薄片等二维半导体材料，可以是单层分子层的二维半导体材料，也可以是100层以下分子层的二维半导体材料。以压电层212的材料为PMNPT、半导体层215的材料为二维二硫化钼薄片、基底1采用Terfenol-D为例，结合图2说明基于磁致伸缩压电势的晶体管的工作原理。压电层212采用的PMNPT是铁电材料，需要在上下电极加电压进行极化。图3a是PMNPT上极化(上电极加负电压)以后示意图。压电层212PMNPT上极化后，内部偶极子向上排列。当对器件施加磁场时，下层的磁致伸缩材料的基底1产生应变，该应变传给压电层212(PMNPT)以后，导致PMNPT中向上排列的偶极子变少，进而导致上层半导体层215内载流子数量减少(图3b)，随着磁场增强晶体管内源流电流Ids降低(图3c本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于磁致压电势晶体管，其特征在于，包括基底和设置在所述基底上的铁电晶体管，其中，所述基底由磁致伸缩材料构成；所述铁电晶体管中包括压电层。

【技术特征摘要】
1.一种基于磁致压电势晶体管，其特征在于，包括基底和设置在所述基底上的铁电晶体管，其中，所述基底由磁致伸缩材料构成；所述铁电晶体管中包括压电层。2.根据权利要求1所述的基于磁致压电势晶体管，其特征在于，所述铁电晶体管包括层叠设置的下列各层：设置在所述基底上的下电极层、压电层、上电极层、绝缘层和半导体层，以及设置在所述半导体层上的源极和漏极。3.根据权利要求1所述的基于磁致压电势晶体管，其特征在于，所述铁电晶体管包括层叠设置的下列各层：设置在所述基底上的下电极层、压电层、绝缘层和半导体层，以及设置在所述半导体层上的源极漏极。4.根据权利要求1所述的基于磁致压电势晶体管，其特征在于，所述铁电晶体管包括层叠设置的下列各层：设置在所述基底上的下电极层、压电层和半导体层，以及设置在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟俊宜，刘玉东，
申请(专利权)人：北京纳米能源与系统研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11