一种室温下压电调控的磁性反常霍尔晶体管制造技术

本发明专利技术提出一种室温下压电调控的磁性反常霍尔晶体管及其构成的逻辑器件。晶体管具有复合多层膜结构：压电层/磁性薄膜/保护层，或者导电层/压电层/磁性薄膜/保护层。本发明专利技术通过对压电薄膜两端施加电压产生形变，该形变转移到上层的磁性薄膜中。本发明专利技术利用压电实现室温零磁场下磁化的翻转。本发明专利技术具有低功耗、响应时间短、集成度高和在室温下工作的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于信息技术及微电子领域，涉及信息
中的新型逻辑功能器件，尤其涉及到利用压电效应来调控铁磁材料磁化翻转导致的反常霍尔效应值变化，并基于此原理专利技术的室温压电调控的反常霍尔晶体管，以及基于室温压电调控的反常霍尔晶体管可实现逻辑功能。
技术介绍
半导体技术是当代信息技术发展的基石，对人类社会的进步起到至关重要的作用。随着微加工工艺的不断进步，半导体芯片尺寸不断缩小，信息的储存密度和处理速度按照摩尔定律向前发展，大约18个月翻一番，14纳米尺寸的半导体芯片工艺已于2015年初投入到工业生产中。但随着集成度的进一步提高，器件尺寸变得更小，将越来越逼近经典物理的极限，量子效应变得越来越重要，同时量子隧穿会导致漏电流的增加，器件的损耗也会大幅度增加，这些都会制约着微电子技术的进一步发展。利用电子的自旋来实现信息的处理、存储及传输有可能突破当前信息技术的障碍，自旋电子学器件具有速度快、非挥发性、能耗低的优点。当前CMOS集成电路的基本单元是场效应晶体管，主要是利用栅极电场控制半导体沟道中的载流子浓度来实现“开”和“关”的状态，以此作为信息处理中的1和0态。由于磁性材料具有磁各向异性，不同的磁化方向也可以作为信息处理或者存储中的不同信息，而反常霍尔效应是探测磁性材料磁特性的探针。根据选择磁性材料的不同，伴随压电控制铁磁材料的磁化翻转的反常霍尔变化主要包括三种类型：1)对于垂直磁各向异性材料，当磁矩从上到下发生翻转时，反常霍尔效应的值会从正(负)变化为负(正)；2)压电调控使得磁化从垂直方向变成面内某一个晶向磁化翻转，从而使反常霍尔电压发生相应的变化；3)利用压电效应使得面内磁各向异性的材料的磁矩发生90度的翻转，设计磁化方向相对于器件的电流方向为θ，
而面内反常霍尔效应随着磁化方向相对于电流方向成sin2θ变化，其最大变化为从1变成-1，也即是使得磁化方向相对于电流方向的变化为45(-135)到-45(135)度。根据磁化方向变化对应于器件电流方向的变化，对应测量得到的反常霍尔电压可以从正变为负或者从负变为正，这里一种可以类比于p型场效应晶体管，另一种类比于n型场效应晶体管。基于这两种压电反常霍尔效应晶体管，设计出所需要的逻辑功能电路，应用到信息

技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术所要解决的是现有的场效应晶体管无法满足更高的集成度的要求的问题。(二)技术方案本专利技术所采用的技术方案是一种用于解决更高集成度而设计的自旋电子学器件。主要是通过电压控制器件中的自旋磁矩方向来改变霍尔电压，并且霍尔电压传递到下一级中的器件中继续起到调控作用，依次类推，以实现信号的响应和处理功能，实现能耗更低，集成度更高的逻辑功能电路。本专利技术的室温下压力调控的磁性反常霍尔晶体管，具有复合多层膜结构，该复合多层膜结构为：压电层/磁性薄膜/保护层，或者导电层/压电层/磁性薄膜/保护层，所述压电层能够被电压调控，从而调节所述磁性薄膜的特性。(三)有益效果本磁性逻辑器件基于电场控制，具有低功耗、响应时间短、集成度高和在室温下工作的优点；它能够完成单输入的“非”逻辑功能，双输入或者多输入的“或非”逻辑运算功能。附图说明图1为基于压电调控的磁性平面霍尔晶体管的三维结构示意图；图2为基于压电调控的反常霍尔晶体管在垂直磁各向异性磁性薄膜中磁矩翻转的示意图；图3为基于压电调控的反常霍尔晶体管在垂直磁各向异性磁性薄膜中磁矩翻转到面内晶向的示意图；图4为基于压电调控的反常霍尔晶体管在面内磁各向异性磁性薄膜中磁矩翻转的示意图；图5为基于压电调控的反常霍尔晶体管在实现“非”门逻辑时的电路结构图；图6为基于压电调控的反常霍尔晶体管在实现“非”门逻辑时的电路结构图；图7为基于压电调控的反常霍尔晶体管在实现“或非”门逻辑时的电路结构图；图8为基于压电调控的反常霍尔晶体管在实现“或非”门逻辑时的电路结构图；图9为基于压电调控的反常霍尔晶体管在实现“或非”门逻辑时时的电路结构图；图10为基于压电调控的反常霍尔晶体管在实现“或非”门逻辑时的电路结构图。具体实施方式本专利技术提出利用压电效应来实现室温零磁场下磁性材料的磁化翻转，从而伴随着磁性材料的反常霍尔电压的变化，利用伴随磁化翻转的反常霍尔效应的变化可以制备出室温压电反常霍尔晶体管。本专利技术首先提出生长压电铁磁复合多层膜结构，压电铁磁复合多层膜的基本结构为在衬底上生长一定厚度的压电材料薄膜(例如BTO、PZT、或者PMNPT)等，然后在上面生长一层铁磁性薄膜，最后生长一层保护层保护铁磁性薄膜。也可以考虑在生长过程中直接生长压电材料薄膜的导电层电极，然后生长一个绝缘层导电层和磁性薄膜材料。即该复合多层膜结构为：压电层/磁性薄膜/保护层，或者导电层/压电层/磁性薄膜/保护层，所述压电层能够被电压调控，从而进而调节所述磁性薄膜的特性。磁性薄膜选自坡莫合金、半金属、铁磁半导体和磁性金属材料。基于上述结构，本专利技术提出，基于压电调控的反常霍尔晶体管，该晶体管的器件结构设计为将压电材料划分为各个不同的小块，或称为多个单元块，每个单元块对应独立的磁性薄膜结构，且每个单元块能够被独立施加电压。并且优选地，所述压电层的每个单元块对应的独立的磁性薄膜结构为十字结构，即每个小块上有一个独立的十字结构微纳铁磁薄膜器件，利用电压来控制单个压电小块产生形变，从而实现分别单独控制每一个铁磁微纳器件，利用反常霍尔效应作为输出，此时每一个微纳单元为一个压电反常霍尔晶体管，通过设计多个反常霍尔晶体管可以实现各种逻辑功能。本专利技术中独立的十字结构微纳铁磁薄膜器件主要根据霍尔电压的测试所设计。十字结构的器件通过已经成熟的工艺就可以制备而得。首先我们在生长好的压电性衬底上，通过分子束外延或者磁控溅射等生长方法生长一层厚度为几纳米到十几纳米厚度的磁性薄膜材料，为了防止磁性薄膜材料的氧化，在生长好的磁性薄膜上，再通过分子束外延或者磁控溅射等生长方法生长几纳米厚度的保护层。在生长好的薄膜上，可以利用光刻或者电子束刻蚀的工艺，制备出需求的器件结构。本专利技术中，光刻或者电子束刻蚀的方法主要包括前处理，涂胶，烘烤，对准曝光，曝光后烘烤，显影，离子束刻蚀和去胶等工艺制备而得。通过重复多种这样的制备工艺，制备出设计的所需要的器件，最后通过检验和封装就可以制备出所需要的功能逻辑器件。本专利技术中的压电反常霍尔晶体管，可以在制备完成时利用外加磁场来初始化使得所以器件的磁化方向指向同一个易磁化轴，或者用电流产生奥斯特场来使得器件的磁化指向同一个方向。本专利技术优选为使基于压电调控的反常霍尔晶体管具有一个底栅，在需要的基底上生长一层金属材料的底栅层，然后在底栅层上面沉积压电材料层。底栅可以具有多个功能：1)初始化晶体管的所有单元，通过在底栅中通入电流，从而产生一个稳定的磁场，该磁场能够使铁磁层磁化方向指向同一个方向。从而使铁磁层中的各个器件有了初始状态，即半导体器件中的p型场效应晶体管和n型场效应晶体管，在这种初始状态下，铁磁材料制成的器件就会通过不同的电路设计和反常霍尔效应的实现，形成逻辑电路；2)通过底栅调控压电材料的形变，压电材料在底栅的电压作用下，
产生形变，并将形变有效地传递到铁磁材料中，从而可以实现压电调控上层的磁性薄膜的磁化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种室温下压力调控的磁性反常霍尔晶体管，具有复合多层膜结构，该复合多层膜结构为：压电层/磁性薄膜/保护层，或者导电层/压电层/磁性薄膜/保护层，所述压电层能够被电压调控，从而调节所述磁性薄膜的特性。

【技术特征摘要】
1.一种室温下压力调控的磁性反常霍尔晶体管，具有复合多层膜结构，该复合多层膜结构为：压电层/磁性薄膜/保护层，或者导电层/压电层/磁性薄膜/保护层，所述压电层能够被电压调控，从而调节所述磁性薄膜的特性。2.根据权利要求1所述的磁性反常霍尔晶体管，其特征在于，所述压电层的材料的选自BTO、PZT、PMN-PT。3.根据权利要求1所述的磁性反常霍尔晶体管，其特征在于，所述磁性薄膜选自坡莫合金...

【专利技术属性】
技术研发人员：王开友，张保，杨美音，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11