一种光调控的垂直自旋场效应晶体管及制备方法技术

一种基于光调控的垂直自旋场效应晶体管，中间层为非磁性半导体层，非磁性半导体层上下均为铁磁性材料薄膜；所述的非磁性半导体层为砷化镓基片，铁磁性材料薄膜上引出电极；铁磁性材料薄膜采取具有垂直磁各向异性的铁磁性薄膜，用来产生垂直方向自旋的电子；铁磁性材料薄膜采用非晶铁磁性材料CoFeB薄膜，厚度为1‑2nm，通过MgO和Ta的界面效应来诱导出垂直磁各向异性。利用光产生的电子子旋方向与铁磁层自旋方向平行使，电阻最小产生电流最大，反之光生自旋电子自旋方向与铁磁性金属的自旋方向相反时，电阻最大产生电流最小。利用光学方法控制垂直自旋场效应晶体管开关，晶体管可同时具有信息存储与处理的功能。

【技术实现步骤摘要】
一种光调控的垂直自旋场效应晶体管及制备方法
本专利技术涉及微电子器件，具体而言涉及基于光学方法自旋注入以及结合微加工技术制备垂直结构的自旋场效应晶体管，可同时进行数据的处理与存储。
技术介绍
自旋电子学是近年来新兴的一个重要学科，主要致力于产生改变传统半导体存储的现状，致力于研发下一代自旋相关的信息存储和处理芯片器件。自旋电子学的发源起始于金属纳米多层膜巨磁电阻效应(GiantMagnetoresistance,GMR)的发现及其在传感器和磁存储
中的重要应用。该效应的发现者-法国科学家AlbertFert和德国科学家PeterGrunberg获得了2007年的诺贝尔物理学奖。以此为开始，自旋电子学研究成果已经在信息存储等诸多领域内产生了划时代的影响，具有高达上千亿美元的市场前景，因此成为拉动经济和社会进步的一个巨大产业。磁性材料同半导体材料结合是下一代自旋电子器件的主流发展趋势，如自旋场效应晶体管的出现。半导体材料同磁性材料结合而成的磁性半导体器件，在器件的稳定性，功率放大和低热耗散方面有着巨大的优势。在过去的几年当中，该领域中的电学方式注入、探测、以及电子自旋的操控都取得了很多突破性的进展。以上的这些进展有在传统半导体材料中取得，有在有机分子材料中取得，同时也有在最近研究热点材料二维材料中取得。尽管有机材料和新兴二维材料可以作为自旋电子器件的很好原材料，但是仍然不能忽视传统半导体材料在自旋电子方面的巨大优势，即已经研究较为清楚地材料物性和在工业生产方面的巨大技术累计优势。我们知道，通过电注入自旋电子的方式产生平行于器件表面的自旋流的自旋电子器件已经在实验中证实且大量观察到，但是关于垂直结构的自旋场效应晶体管仍然很少有人研究。同时在这种垂直自选阀结构中，可以实现磁电阻效应，而且垂直结构可以进行三维的集成，从而在信息存储领域有极大的应用前景。
技术实现思路
本专利技术目的是，提出一种利用圆偏振光调控的垂直结构的自旋场效应晶体管及制备方法。垂直自旋场效应管采取铁磁金属/非磁性半导体/铁磁金属的三明治结构，利用光学方法注入自旋电子，通过左旋圆片振光和右旋圆偏振光产生自旋向上和向下的电子，从而实现垂直自旋场效应管的开关效应。本专利技术技术方案：一种基于光调控的垂直自旋场效应晶体管，中间层为非磁性半导体层，非磁性半导体层上下均为铁磁性材料薄膜；所述的非磁性半导体层，为砷化镓基片，具有直接带隙，且处于在可见光或近红外波段范围内，如近红外波段即800nm。铁磁性材料薄膜上引出电极；铁磁性材料薄膜采取具有垂直磁各向异性的铁磁性薄膜，用来产生垂直方向自旋的电子；铁磁性材料薄膜采用非晶铁磁性材料CoFeB薄膜，厚度为1-2nm(如1.2nm左右)，通过MgO和Ta的界面效应来诱导出垂直磁各向异性。双面溅射CoFeB薄膜，同时为了诱导出垂直各向异性，依次溅射约2nm厚的MgO和5nm厚的Ta保护层。所述铁磁性薄膜为具有垂直各向异性的CoFeB(厚度大约为1.2nm)。因为不施加磁场的影响，因此铁磁性薄膜产生的自旋方向是固定方向的，即要么垂直向上，要么垂直向下。非磁性半导体层选择直接带隙半导体，所以可以很容易利用光学方法基于光选择定则产生自旋极化的电子，通过改变圆偏振光的偏振态，从而分别产生自旋向上和自旋向下的电子。垂直自旋场效应晶体管器件的制备，包含如下步骤：生长特定浓度的砷化镓GaAs基片，然后进行放置、光刻、刻蚀、去除、剥离、清洗、分子束外延、磁控溅射等过程。垂直自旋场效应晶体管的开关状态通过圆偏振光的左旋状态和右旋状态来控制。非晶铁磁性物质CoFeB，厚度为1.2nm左右，通过MgO和Ta的界面效应来诱导出垂直磁各向异性。所述的生长特定浓度的砷化镓基片，通过分子束外延方式生长，其基本结构如下：非晶As覆盖层/GaAs、40-80nm厚，n型掺杂，掺杂浓度为3×1018cm-3/Al0.7Ga0.3As、500±200nm厚/500±200μm厚的半绝缘GaAs衬底、100方向。放置步骤：将利用分子束外延方式生长好的砷化镓基片倒置在硅衬底上，方便将底部的500μm厚无掺杂的半绝缘的GaAs衬底进行光刻等操作。自旋场效应晶体管生长中的放置步骤：将利用分子束外延方式生长好的砷化镓基片倒置在硅衬底上，方便将底部的500μm厚的半绝缘的GaAs衬底进行光刻等操作。所述的垂直自旋场效应晶体管制备的光刻步骤，通过光刻技术在光刻胶位置曝光一个100μm见方的窗口。所述的垂直自旋场效应晶体管制备的选择性刻蚀步骤，通过配置NH4OH和H2O2的混合溶液，选择性刻蚀500μm厚的半绝缘砷化镓衬底，其大小为100μm见方的窗口。AlGaAs保护层放置该刻蚀溶液刻蚀掉n型掺杂的GaAs薄膜。所述的垂直自旋场效应晶体管制备的去除步骤，通过稀释到一定浓度的氢氟酸(HF)洗掉阻止选择性刻蚀反应层AlGaAs。所述的垂直自旋场效应晶体管制备中，所述的剥离步骤，通过机械剥离方法将之前放置在硅衬底上的砷化镓基片剥离开。所述的垂直自旋场效应晶体管制备的清洗步骤，通过丙酮将刻蚀好的砷化镓基片进行清洗，去掉光刻胶以及刻蚀所用的一些化学试剂。所述的垂直自旋场效应晶体管所述的磁控溅射方法生长步骤：通过在超高真空里，对样品进行退火处理进一步清洁样品表面，然后采用磁控溅射方法在刻蚀好的窗口处，双面溅射CoFeB薄膜，同时为了诱导出垂直各向异性，依次溅射约2nm厚的MgO和5nm厚的Ta保护层。所述铁磁性薄膜为具有垂直各向异性的CoFeB(厚度大约为1.2nm)。光学方法控制器件开关的垂直自旋场效应晶体管。铁磁性层具有垂直各向异性，自旋方向垂直向上或者向下。通过光学选择定则，利用圆偏振光通过n型掺杂的砷化镓产生自旋向上或者向下的电子。利用光产生的电子自旋方向与铁磁层自旋方向平行使电阻最小产生电流最大，反之光生自旋电子自旋方向与铁磁性金属的自旋方向相反时，电阻最大产生电流最小。从而实现利用光学方法控制垂直自旋场效应晶体管开关的功能，该晶体管可同时具有信息存储与处理的功能。有益效果，本专利技术可以采用磁性材料为垂直各向异性的CoFeB薄膜，以获得垂直方向的自旋电子,同时在工业生产角度来讲，非晶的CoFeB薄膜生长技术最为成熟，且成本较低，适合大面积生产推广。用于产生光生自旋电子的材料为传统半导体材料。附图说明图1为光调控的垂直自旋场效应晶体管示意图。图2为非磁性半导体薄膜层示意图。图3为采取光刻方法刻蚀100μm大小窗口示意图。图3(a)GaAs基片均匀涂抹光刻胶，烘干之后进行光刻步骤。图3(b)，放置好掩膜版之后，进行光刻加工，图3(c)显影液去除掉光刻胶后就剩下刻蚀好的窗口；图4为选择性刻蚀方法去掉500μm厚的半绝缘GaAs衬底过程示意图。通过NH4OH和H2O2的混合溶液，选择性刻蚀光刻所得方框内的砷化镓衬底。图5为去除停止选择性刻蚀的保护层AlGaAs的示意图。通过稀释之后的氢氟酸溶液可以单独洗掉AlGaAs薄层。图6为采取磁控溅射方法双面生长垂直各向异性CoFeB薄膜的过程示意图。图6(1)利用升温退火方法去除掉As保护层；图6(2)磁控溅射方法，双面溅射厚度约为1.2nm的CoFeB铁磁性金属。具体实施方案参照附图：本专利技术的制备方法如下：所述的放置是指将生长本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光调控的垂直自旋场效应晶体管，其特征是中间层为非磁性半导体层，非磁性半导体层上下均为铁磁性材料薄膜；所述的非磁性半导体层为砷化镓基片，铁磁性材料薄膜上引出电极；铁磁性材料薄膜采取具有垂直磁各向异性的铁磁性薄膜，用来产生垂直方向自旋的电子；铁磁性材料薄膜采用非晶铁磁性材料CoFeB薄膜，厚度为1‑2nm，通过MgO和Ta的界面效应来诱导出垂直磁各向异性。

【技术特征摘要】
1.一种基于光调控的垂直自旋场效应晶体管，其特征是中间层为非磁性半导体层，非磁性半导体层上下均为铁磁性材料薄膜；所述的非磁性半导体层为砷化镓基片，铁磁性材料薄膜上引出电极；铁磁性材料薄膜采取具有垂直磁各向异性的铁磁性薄膜，用来产生垂直方向自旋的电子；铁磁性材料薄膜采用非晶铁磁性材料CoFeB薄膜，厚度为1-2nm，通过MgO和Ta的界面效应来诱导出垂直磁各向异性。2.根据权利要求1所述的基于光调控的垂直自旋场效应晶体管，其特征是非磁性半导体层双面溅射CoFeB薄膜，依次溅射约2nm厚的MgO和5nm厚的Ta保护层。3.根据权利要求2所述的基于光调控的垂直自旋场效应晶体管，其特征是所述铁磁性薄膜为具有垂直各向异性的CoFeB(厚度为1.2nm)。4.根据权利要求2所述的基于光调控的垂直自旋场效应晶体管，其特征是砷化镓基片具有直接带隙近红外波段即800nm。5.根据权利要求1-4所述的基于光调控的垂直自旋场效应晶体管的开关状态通过圆偏振光的左旋状态和右旋状态来控制。6.垂直自旋场效应晶体管器件的制备方法，其特征是包含如下步骤：生长特定浓度的砷化镓GaAs基片，然后进行放置、光刻、刻蚀、去除、剥离、清洗、分子束外延、磁控溅射；所述的生长特定浓度的砷化镓基片，通过分子束外延方式生长，其基本结构如下：非晶As覆盖层/GaAs、40-80nm厚，n型掺杂，掺杂浓度为3×1018cm-3/Al0.7Ga0.3As、500...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐永兵，刘波，刘文卿，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32