一种新型量子霍尔器件及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种新型量子霍尔器件及其制备方法，包括：1)提供一衬底，在所述衬底表面形成第一超导薄膜层；2)在所述第一超导薄膜层表面覆盖第一介电薄膜层；3)然后在所述第一介电薄膜层表面形成具有预设图形的石墨烯层或半导体薄膜层；4)在所述步骤3)形成的结构表面自下而上依次形成第二介电薄膜层和第二超导薄膜层；5)在所述衬底表面形成金属电极，所述金属电极与石墨烯层或半导体薄膜层接触。本发明专利技术基于二维材料和微电子加工工艺，在该器件中采用两层超导薄膜，利用超导材料对磁场的屏蔽特性，控制作用于器件的磁场大小，当超导薄膜较薄时，屏蔽部分外加磁场，剩余的磁力线形成周期磁场作用于超导薄膜，使其工作在正常态向超导态转变的区间，形成量子器件，在实现量子器件高速低功耗的同时，降低器件制备的技术难度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子领域，涉及一种量子器件及其制备方法，特别是涉及一种新型量子霍尔器件及其制备方法。
技术介绍
随着半导体芯片朝着高速、超高频、高集成度、低功耗和高特征温度的趋势不断的发展。对微电子器件的集成度要求越来越高，半导体加工工艺尺寸越来越小，已经逼近摩尔定律的极限。当器件尺寸达到亚微米级别时，电子的量子波动行为就会表现出来，产生各种量子效应如量子尺寸效应、量子隧道效应和量子干涉效应等。量子器件是基于量子效应的一种新型的量子器件。石墨烯及MoS2等半导体由于具有一系列优良的理化特性，开启了二维材料的研究及其微纳电子器件应用的热潮。尤其是它们的霍尔效应得到理论及实验的证实，因此成为制备新型量子霍尔器件的首选核心材料。而纳米尺度的量子器件的制备从某种程度上依赖于微电子工艺技术的发展，尤其是对光刻图形化要求苛刻。鉴于此，本专利技术基于二维材料结合微电子加工工艺，发展一种新型量子霍尔器件。在器件中采用两层超导薄膜，利用超导材料对磁场的屏蔽特性，可以控制作用于器件的磁场大小，当超导薄膜较薄时，屏蔽部分外加磁场，剩余的磁力线形成周期磁场作用于超导薄膜，使其工作在正常态向超导态转变的区间，形成量子器件。在实现量子器件高速低功耗的前提下降低了制备器件工艺技术的难度。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种新型量子霍尔器件及其制备方法，用于解决现有技术中制备量子器件工艺难度大的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种一种新型量子霍尔器件的制备方法，所述制备方法至少包括：1)提供一衬底，在所述衬底表面形成第一超导薄膜层；2)在所述第一超导薄膜层表面覆盖第一介电薄膜层；3)在所述第一介电薄膜层表面形成具有预设图形的石墨烯层或半导体薄膜层；4)在所述步骤3)形成的结构表面自下而上依次形成第二介电薄膜层和第二超导薄膜层；5)在所述衬底表面形成金属电极，所述金属电极与石墨烯层或半导体薄膜层接触。作为本专利技术新型量子霍尔器件的制备方法的一种优化的方案，所述衬底为SiO2、MgO或Al2O3。作为本专利技术新型量子霍尔器件的制备方法的一种优化的方案，所述第一超导薄膜层通过第一介电薄膜层与石墨烯层或半导体薄膜层绝缘隔离，所述第二超导薄膜层通过第二介电薄膜层与石墨烯层或半导体薄膜层绝缘隔离。作为本专利技术新型量子霍尔器件的制备方法的一种优化的方案，所述第一超导薄膜层与第二超导薄膜层通过机械剥离后干法转移或者直接沉积薄膜的方法形成，材料为YBCO、Nb、NbSe2、NbTi、NbN或NbTiN。作为本专利技术新型量子霍尔器件的制备方法的一种优化的方案，所述第一超导薄膜层与第二超导薄膜层的厚度均小于100nm。作为本专利技术新型量子霍尔器件的制备方法的一种优化的方案，所述第一介电薄膜层和第二介电薄膜层通过机械剥离后干法转移或者直接沉积薄膜的方法形成，材料为h-BN、Al2O3或HfO2，厚度为10～100nm。作为本专利技术新型量子霍尔器件的制备方法的一种优化的方案，所述石墨烯层或半导薄膜层通过机械剥离后干法转移形成，所述半导体薄膜层为MoS2、黑磷、硅烯、锗烯、WS2、WTe2、MoSe、MoTe2、WSe2、WTe、TiSe2、PtSe2、ZnSe、PdSe2、CdS、CdSe、BP、SnSe、PtS2、PbI2、GaSe、InSe、ReS2或ReSe2，所述石墨烯层或半导薄膜层的厚度为一个至几个原子层。作为本专利技术新型量子霍尔器件的制备方法的一种优化的方案，所述步骤5)中所述金属电极不与所述第一超导薄膜层以及第二超导薄膜层接触。本专利技术还提供一种新型量子霍尔器件，所述量子霍尔器件至少包括：衬底；形成于所述衬底表面的第一超导薄膜层；覆盖于所述第一超导薄膜层表面的第一介电薄膜层；形成于所述第一介电薄膜层并具有预设图形的石墨烯层或半导体薄膜层；自下而上依次形成于所述第一介电薄膜层和石墨烯层或半导体薄膜层表面的第二介电薄膜层和第二超导薄膜层；形成于所述衬底表面且与所述石墨烯层或半导体薄膜层接触的金属电极。作为本专利技术新型量子霍尔器件的一种优化的方案，所述第一超导薄膜层通过第一介电薄膜层与石墨烯层或半导体薄膜层绝缘隔离，所述第二超导薄膜层通过第二介电薄膜层与石墨烯层或半导体薄膜层绝缘隔离。作为本专利技术新型量子霍尔器件的一种优化的方案，所述第一超导薄膜层与第二超导薄膜层的厚度均小于100nm。作为本专利技术新型量子霍尔器件的一种优化的方案，所述金属电极不与所述第一超导薄膜层以及第二超导薄膜层接触，所述第二超导薄膜层作为背栅电极。如上所述，本专利技术的新型量子霍尔器件及其制备方法，包括步骤：首先提供一衬底，在所述衬底表面形成第一超导薄膜层；其次在所述第一超导薄膜层表面覆盖第一介电薄膜层；然后在所述第一介电薄膜层表面形成具有预设图形的石墨烯层或半导体薄膜层；接着在上述形成的结构表面自下而上依次形成第二介电薄膜层和第二超导薄膜层；最后在所述衬底表面形成金属电极与所述金属电极与石墨烯层或半导体薄膜层接触，其中第二超导薄膜层和第二超导薄膜层不与金属电极接触，第二超导薄膜层可以作为背栅电极使用。本专利技术基于二维材料结合微电子加工工艺，提供一种新型量子霍尔器件及其制备方法，在该器件中采用两层超导薄膜，利用超导材料对磁场的屏蔽特性，可以控制作用于器件的磁场大小，当超导薄膜较薄时，屏蔽部分外加磁场，剩余的磁力线均匀穿过超导薄膜形成量子器件，在实现量子器件高速低功耗的前提下降低了制备器件工艺技术的难度。附图说明图1为本专利技术新型量子霍尔器件的制备方法流程示意图。图2a为本专利技术新型量子霍尔器件的制备方法步骤1)呈现的结构立体示意图。图2b为图2a中沿AA’方向的剖视图。图3a为本专利技术新型量子霍尔器件的制备方法步骤2)呈现的结构立体示意图。图3b为图3a中沿AA’方向的剖视图。图4a为本专利技术新型量子霍尔器件的制备方法步骤3)呈现的结构立体示意图。图4b为图4a中沿AA’方向的剖视图。图5a和图6a为本专利技术新型量子霍尔器件的制备方法步骤4)呈现的结构立体示意图。图5b和图6b分别为图5a和图6a中沿AA’方向的剖视图。图7a为本专利技术新型量子霍尔器件的制备方法步骤5)呈现的结构立体示意图。图7b为图7a中沿AA’方向的剖视图。元件标号说明1 衬底2 第一超导薄膜层3 第一介电薄膜层4 石墨烯层或半导体薄膜层5 第二介电薄膜层6 第二超导薄膜层7 金属电极具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，遂图式中仅显示与本专利技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型量子霍尔器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：1)提供一衬底，在所述衬底表面形成第一超导薄膜层；2)在所述第一超导薄膜层表面覆盖第一介电薄膜层；3)在所述第一介电薄膜层表面形成具有预设图形的石墨烯层或半导体薄膜层；4)在所述步骤3)形成的结构表面自下而上依次形成第二介电薄膜层和第二超导薄膜层；5)在所述衬底表面形成金属电极，所述金属电极与石墨烯层或半导体薄膜层接触。

【技术特征摘要】
1.一种新型量子霍尔器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：1)提供一衬底，在所述衬底表面形成第一超导薄膜层；2)在所述第一超导薄膜层表面覆盖第一介电薄膜层；3)在所述第一介电薄膜层表面形成具有预设图形的石墨烯层或半导体薄膜层；4)在所述步骤3)形成的结构表面自下而上依次形成第二介电薄膜层和第二超导薄膜层；5)在所述衬底表面形成金属电极，所述金属电极与石墨烯层或半导体薄膜层接触。2.根据权利要求1所述的新型量子霍尔器件的制备方法，其特征在于：所述衬底为SiO2、MgO或Al2O3。3.根据权利要求1所述的新型量子霍尔器件的制备方法，其特征在于：所述第一超导薄膜层通过第一介电薄膜层与石墨烯层或半导体薄膜层绝缘隔离，所述第二超导薄膜层通过第二介电薄膜层与石墨烯层或半导体薄膜层绝缘隔离。4.根据权利要求1所述的新型量子霍尔器件的制备方法，其特征在于：所述第一超导薄膜层与第二超导薄膜层通过机械剥离后干法转移或者直接沉积薄膜的方法形成，材料为YBCO、Nb、NbSe2、NbTi、NbN或NbTiN。5.根据权利要求1所述的新型量子霍尔器件的制备方法，其特征在于：所述第一超导薄膜层与第二超导薄膜层的厚度均小于100nm。6.根据权利要求1所述的新型量子霍尔器件的制备方法，其特征在于：所述第一介电薄膜层和第二介电薄膜层通过机械剥离后干法转移或者直接沉积薄膜的方法形成，材料为h-BN、Al2O3或HfO2，厚度为10～100nm。7.根据权利要求1所述的新型量子霍尔器件的制备方法，其特征在于：所述石墨烯层或半导薄膜层通过机械剥离后干法...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩敏，谢红，王慧山，王秀君，谢晓明，江绵恒，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31