一种轨道开关及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种轨道开关及其制备方法与应用。其由铁电层和沟道层构成，铁电层和沟道层均为过渡金属的钙钛矿氧化物，并且相互接触。轨道开关有半个原子层铁电材料和半个原子层沟道材料构成，可实现对场效应晶体管等电子元器件的原子尺度调控。同时，还提供了一种场效应晶体管，包括基片、所述轨道开关、栅极、侧电极和门电极。运用紫外曝光技术、氩离子刻蚀或湿法刻蚀和电子束蒸镀等即可制备得到。该场效应晶体管中含有铁电极化控制的轨道开关，可调节场效应晶体管中的电场强度，达到开关的作用。栅极为离子液体，介电性好，器件制备工艺简单，可重复性好。可用于信息存储和传感器件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子器件制备领域，具体涉及一种轨道开关及其制备方法与应用。
技术介绍
传统的开关控制着宏观电路的开关状态，在我们的日常生活中随处可见。随着开关的日益小型化和多功能化，开关的概念在微电子领域被大大延伸了：数百纳米大小的p-n结构成了信息处理和逻辑电路的基石；分子开关则可以在分子尺度的器件实现整流、放大和存储等数字电路的基本功能。然而，半导体工业对于器件小型化的迫切需求仍然在继续，尤其是众多原子尺度导电现象的涌现(如单层石墨烯和LaAlO3/SrTiO3的界面)，要求实现对器件进行原子甚至亚原子级别的调控。材料轨道自由度代表着电子云的形状，控制着原子间电子转移相互作用的大小和方向，在调控材料性质中也发挥着至关重要的作用。界面上轨道自由度的调控可以实现材料单原子层电子行为的操纵，极大地减小电子元器件的尺寸，将半导体工业对于器件小型化的追求推动到原子甚至亚原子级别的轨道尺度。但是，目前对于轨道自由度的控制主要通过不可逆的应变工程，很难依此设计出基于轨道的原型器件。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种轨道开关及其制备方法。利用轨道开关可以在原子尺度上实现对微电子器件的控制，达到开关的作用。本专利技术所提供的轨道开关由铁电层和沟道层构成，其中，所述铁电层和沟道层均为过渡金属的钙钛矿复杂氧化物，所述铁电层和沟道层相互接触。上述轨道开关中，所述过渡金属的钙钛矿复杂氧化物的结构为ABO3，其中，A为金属离子，B为可变价的3d过渡金属，O为氧离子，所述A具体可选自La、Sr、Ba、Bi和Pb中的至少一种；所述B为具体可选自Ti、Mn、Fe、Co、Ni和Ru中的任一种。所述沟道层的厚度具体可为1-50nm，所述沟道层具体可选自La1-xSrxMnO3、La1-xCaxMnO3、SrRuO3、SrCoO3或LaNiO3中的任一种，其中，x为0-1。所述铁电层的厚度具体可为2-6nm，所述铁电层具体选自BaTiO3、BiFeO3或Pb(Zr1-xTix)O3中的任一种，其中，所述Pb(Zr1-xTix)O3中的x为0.4-0.5。所述轨道开关的核心作用部分由所述沟道层和所述铁电层两层薄膜界面处的半个原子层铁电材料和半个原子层沟道材料构成，所述轨道开关的核心作用部分的厚度为0.35-0.45nm，为原子级别。所述铁电层和沟道层相互接触具体可采用如下方法进行：先在基片上沉积所述铁电层，再在所述铁电层上沉积所述沟道层；或者，先在基片上沉积所述沟道层，再在所述沟道层上沉积所述铁电层，其中，所述沉积具体可采用本领域常规方法，如：脉冲激光沉积法或分子束外延法等。本专利技术所述的轨道开关(沟道层在下，铁电层在上)的工作原理如下：当铁电层极化向下时，其中心离子发生向下的空间位移，界面轨道杂化形成的共价键由于空间电子云重叠增加缘故而增强；当铁电层极化向上时，其中心离子发生向上的空间位移，界面轨道杂化形成的共价键由于空间电子云重叠减少缘故而减弱。界面轨道杂化形成的共价键可以直接控制沟道层的界面磁电性能或间接控制沟道层的体相磁电性能，扮演类似“开关”的角色，故称为轨道开关(如图1所示)。对于铁电层在下，沟道层在上的情况，其开关方向恰好与上述情况相反。本专利技术所述的轨道开关采用本领域常规方法制备得到，如：脉冲激光沉积法或分子束外延法等。此外，本专利技术所述的轨道开关在制备微电子元器件中的应用也属于本专利技术的保护范围。上述应用中，所述微电子元器件具体可为场效应晶体管。通过所述轨道开关对微电子元器件实现对其原子级别的控制。另外，本专利技术还提供一种场效应晶体管，所述场效应晶体管包括基片、所述轨道开关(沟道层和铁电层)、栅极、侧电极和门电极，其中，在依次由所述基片和所述轨道开关组成的样品的所述轨道开关一侧表面光刻出霍尔器件，所述霍尔器件中间为霍尔通道，在霍尔通道两端的两侧均匀分布着四个对称分支通道，霍尔通道和四个对称分支通道的末端均为待覆盖侧电极的模块。所述门电极分布在所述霍尔器件的霍尔通道中部两侧的基片上，门电极不与霍尔通道接触。所述侧电极分布在所述霍尔通道和所述四个对称分支通道的末端的模块上。所述栅极覆盖于所述霍尔器件的霍尔通道和所述门电极上，将二者连通。上述场效应晶体管中，所述基片可为各种常见的氧化物单晶基片，具体可选自YAlO3、LaSrAlO4、LaAlO3、LaSrGaO4、NdGaO3、(LaAlO3)0.29(Sr0.5Al0.5TaO3)0.71、LaGaO3、SrTiO3、Nb掺杂的SrTiO3、DyScO3、GdScO3、SmScO3、KTaO3、BaTiO3、NdScO3、(1-x)[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-x[PbTiO3]基片中的任一种，其中，所述Nb掺杂的SrTiO3中Nb掺杂质量含量为0.001％-0.7％(具体可为0.01％)，所述(1-x)[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-x[PbTiO3]中x为0.2-0.8。所述轨道开关由铁电层和沟道层构成，所述铁电层具有良好的铁电性，并可以实现电子的隧穿，在不破坏真空的情况下，使用脉冲激光沉积或分子束外延的方法可直接在沟道层上外延铁电层。所述铁电层和沟道层界面上的共价键为电子注入和抽取的通道，即轨道开关。当铁电中心离子极化向下时，促进所述铁电层和沟道层界面上的共价键的形成，轨道开关闭合，加强电子注入和抽取的通道；而当铁电层中心离子极化向上时，则削弱所述铁电层和沟道层界面上的共价键，轨道开关断开，减弱甚至破坏所述电子注入和抽取的通道。所述霍尔器件中的霍尔通道具体可为一长方形通道，所述霍尔器件中的霍尔通道的宽度为2-500μm。所述霍尔器件中的所述四个对称分支通道的形状相同。所述四个对称分支通道的末端的模块的形状具体可为正方形，各正方形的边长不小于霍尔通道的宽度，各个模块之间通过霍尔通道和四个对称分支通道连接。所述栅极为离子液体，所述离子液体具体可选自N,N-二乙基-N-(2-甲氧乙基)-N-铵-双三氟甲磺酰基-酰亚胺(N,N-diethyl-N-(2-methoxyethyl)-N-methylammonium-bis-(trifluoromethylsulfonyl)-imide，DEME-TFSI)和/或1-乙基-3-甲基咪唑-双三氟甲磺酰基-酰亚胺(1-ethyl-3-methylimidazolium-bis-(trifluoromethylsulfonyl)-imide，EMIM-TFSI)。所述离子液体的用量为能覆盖霍尔器件的横向通道(覆盖两个十字交叉结构)以及部分的门电极(G电极)为止，使霍尔器件的霍尔通道和门电极通过离子液体连通。所述离子液体的用量具体可为10-20μL。所述侧电极和门电极均是由上至下为Ti和Au的双层膜，其中，所述Ti膜的厚度为10-30nm，具体为20nm，所述Au膜的厚度为60-100nm，具体为80nm，所述侧电极和门电极均可通过电子束蒸镀或磁控溅射方法制备得到。所述门电极与所述霍尔器件中的霍尔通道在平面内的距离为50-200μm，具体可为50-100μm。上述场效应晶体管中，除所述霍尔通道、侧电极和门电极外的部分均用光刻胶覆盖保护，所述光刻胶具体可为S1813型光刻胶。本专利技术所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种轨道开关，由铁电层和沟道层构成，其中，所述铁电层和沟道层均为过渡金属的钙钛矿氧化物，所述铁电层和沟道层相互接触。

【技术特征摘要】
1.一种轨道开关，由铁电层和沟道层构成，其中，所述铁电层和沟道层均为过渡金属的钙钛矿氧化物，所述铁电层和沟道层相互接触。2.如权利要求1所述的轨道开关，其特征在于：所述过渡金属的钙钛矿氧化物的结构为ABO3，其中，A为金属离子，B为变价的3d过渡金属，O为氧离子；所述A选自La、Sr、Ba、Bi和Pb中的至少一种；所述B选自Ti、Mn、Fe、Co、Ni或Ru中的任一种。3.如权利要求1或2所述的轨道开关，其特征在于：所述沟道层的厚度为1-50nm，所述沟道层选自La1-xSrxMnO3、La1-xCaxMnO3、SrRuO3、SrCoO3或LaNiO3中的任一种，其中，x为0-1；所述铁电层的厚度为2-6nm，所述铁电层选自BaTiO3、BiFeO3或Pb(Zr1-xTix)O3中的任一种，其中，所述Pb(Zr1-xTix)O3中的x为0.4-0.5；所述轨道开关的核心作用部分由所述沟道层和所述铁电层两层薄膜界面处的半个原子层铁电材料和半个原子层沟道材料构成，所述轨道开关的核心作用部分的厚度为0.35-0.45nm；所述铁电层和沟道层相互接触采用如下方法进行：先在基片上沉积所述铁电层，再在所述铁电层上沉积所述沟道层；或者，先在基片上沉积所述沟道层，再在所述沟道层上沉积所述铁电层。4.权利要求1-3中任一项所述的轨道开关在制备微电子元器件中的应用。5.如权利要求4所述的应用，其特征在于：所述微电子元器件为场效应晶体管。6.一种场效应晶体管，包括基片、权利要求1-3中任一项所述的轨道开关、栅极、侧电极和门电极，其中，在依次由所述基片和所述轨道开关组成的样品的所述轨道开关一侧表面光刻出霍尔器件，所述霍尔器件中间为霍尔通道，在霍尔通道两端的两侧均匀分布着四个对称分支通道，霍尔通道和四个对称分支通道的末端均为待覆盖侧电极的模块；所述门电极分布在所述霍尔器件的霍尔通道中部两侧的基片上，门电极不与霍尔通道接触；所述侧电极分布在所述霍尔通道和所述四个对称分支通道的末端的模块上；所述栅极覆盖于所述霍尔器件的霍尔通道和所述门电极上，将二者连通。7.如权利要求6所述的场效应晶体管，其特征在于：所述基片为氧化物单晶基片，所述氧化物单晶基片选自YAlO3、LaSrAlO4、LaAlO3、LaSrGaO4、NdGaO3、
\t(LaAlO3)0.29(Sr0.5Al0.5TaO3)0.71、LaGaO3、SrTiO3、Nb掺杂的SrTiO3、DyScO3、GdScO3、SmScO3、KTaO3、BaTiO3、NdScO3、(1-x)[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-x[PbTiO3]基片中的任一种，其中，所述Nb掺杂的SrTiO3中Nb掺杂质量含量为0.001％-0.7％，所述(1-x)[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-x[PbTiO3]中x为0.2-0.8；所述霍尔器件中的霍尔通道为一长方形通道，所述霍尔器件中的霍尔通道的宽度为2-500μm；所述霍尔器件中的所述四个对称分支通道的形状相同；所述四个对称分支通道的末端的模块的形状为正方形，各正方形的的边长不小于霍尔通道的宽度，各个模块之间通过霍尔通道和四个对称分支通道连接；所述栅极为离子液体，所述离子液体选自N,N-二...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋成，崔彬，潘峰，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11